JP2000154058A - High strength ceramics and method for evaluating defect in ceramics - Google Patents

High strength ceramics and method for evaluating defect in ceramics

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JP2000154058A
JP2000154058A JP10325539A JP32553998A JP2000154058A JP 2000154058 A JP2000154058 A JP 2000154058A JP 10325539 A JP10325539 A JP 10325539A JP 32553998 A JP32553998 A JP 32553998A JP 2000154058 A JP2000154058 A JP 2000154058A
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JP
Japan
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sintering
ceramics
temperature
ceramic
strength
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JP10325539A
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Japanese (ja)
Inventor
Keizo Uematsu
敬三 植松
Takahiro Kudo
高裕 工藤
Moriyoshi Kanamaru
守賀 金丸
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain ceramics which attain high strength by utilizing a method for evaluating defects in ceramics applicable even to ceramics sintered by HIP and the principle of such an evaluating method. SOLUTION: Ceramics sintered by hot isostatic pressing after pressure sintering are heat-treated at a temperature in the range from (the normal sintering temperature) -200 deg.C to (the normal sintering temperature) +100 deg.C and defects are observed by a light transmission observation method. When alumina or zirconia ceramics sintered by hot isostatic pressing after normal sintering are heat-treated at nine temperatures at 50 deg.C intervals in the range of 1,200-1,600 deg.C for 0.5-4 hr each and defects are observed by the method, the average defect size is <=70 μm at the heat treatment temperature at which the average defect size is observed to be maximum.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、切削工具やポンプ
パルプ用部品の各種耐摩耗セラミックス、ターボチャー
ジヤーやパルプ等の自動車部品、ガスタービンや人工骨
等のインプラント材といった用途に使用される高強度セ
ラミックス、およびこうしたセラミックスの欠陥を評価
する方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to high wear resistant ceramics for cutting tools and pump pulp parts, automotive parts such as turbochargers and pulp, and implant materials for gas turbines and artificial bones. The present invention relates to a high-strength ceramic and a method for evaluating a defect of such a ceramic.

【0002】[0002]

【従来の技術】セラミックスは、耐食性、耐熱性、耐摩
耗性に優れており、機械部品や治具、工具類の素材とし
て広く使用されている。しかしながら、セラミックスの
破壊靱性は、金属材料の破壊靱性に比べて非常に低く
(3〜10MPam1/2 )、また破壊強度も低いという
欠点がある。こうしたことから、従来からセラミックス
の破壊靱性値や破壊強度を改善する試みが多くなされて
きた。こうした技術として、SiCウイスカを添加する
方法(例えば、米国特許第4543345号)や、ナノ
オーダの微細粒子をセラミックス結晶粒内に分散させた
所謂ナノ複合材料等が提案されている。
2. Description of the Related Art Ceramics have excellent corrosion resistance, heat resistance and wear resistance, and are widely used as materials for machine parts, jigs and tools. However, there is a defect that the fracture toughness of ceramics is very low (3 to 10 MPam 1/2 ) and the fracture strength is low as compared with the fracture toughness of metal materials. For these reasons, many attempts have been made to improve the fracture toughness and fracture strength of ceramics. As such a technique, a method of adding SiC whiskers (for example, US Pat. No. 4,543,345), a so-called nanocomposite material in which nano-order fine particles are dispersed in ceramic crystal grains, and the like have been proposed.

【0003】そして、これらの技術の開発によって、そ
れより以前のセラミックスと比べて破壊靱性値が2倍以
上に改善されている。しかしながらこれらの技術によっ
ても、破壊強度の点では、期待通りに向上しているとは
言い難い状況である。こうした事態が生じるのは、上記
各技術においても、破壊靱性値と同様にセラミックスの
破壊強度を支配している欠陥を小さく制御できていない
ことに起因していると考えられる。
[0003] With the development of these techniques, the fracture toughness value is more than doubled as compared with ceramics before that. However, even with these techniques, it is difficult to say that the breaking strength is improved as expected. It is considered that such a situation occurs because, in each of the above-mentioned technologies, similarly to the fracture toughness value, the defects that govern the fracture strength of ceramics cannot be controlled to be small.

【0004】一方、セラミックス中の欠陥、特にポアを
消滅させる技術として、高温高圧ガス中で焼結する熱間
静水圧加圧(以下、「HIP」と略称することがある)
焼結が知られている。HIP焼結によってセラミックス
を製造した場合に、焼結後の空孔が閉空孔状態となって
セラミックスの完全な緻密化が達成できるといわれてい
る。
On the other hand, as a technique for eliminating defects, particularly pores, in ceramics, hot isostatic pressing (hereinafter, sometimes abbreviated as "HIP") in which sintering is performed in a high-temperature, high-pressure gas.
Sintering is known. It is said that when ceramics are manufactured by HIP sintering, the pores after sintering become closed pores and complete densification of the ceramics can be achieved.

【0005】ところが、緻密化されて欠陥が完全に除去
されていると仮定すれば、理論強度のセラミックスが得
られるはずなのであるが、実際のHIP焼結後の強度
は、その1/10程度の低い値に留まっている。また、
HIP焼結前の強度と比べても、その改善幅は20〜3
0%程度であり、期待どおりの強度は達成されていな
い。
[0005] However, assuming that the densification is complete and the defects are completely removed, a ceramic of theoretical strength should be obtained. However, the actual strength after HIP sintering is about 1/10 of that. It remains at a low value. Also,
Compared with the strength before HIP sintering, the improvement range is 20 to 3
It is about 0%, and the expected strength has not been achieved.

【0006】一方、セラミックスの欠陥を評価する方法
としては、例えば、「日本セラミックス協会学術論文
誌」[98(5),p515−516(1990)]
や、「FCレポート」[9(1991)No.5,p1
87]に記載されている様に、セラミックス焼結体を薄
片化し、直接光透過観察する手法がある。しかしなが
ら、高密度化・高強度化のためにHIP処理されたセラ
ミックス材料では、1000気圧以上の高圧ガスで残留
ポアが押し潰される為に、通常の光透過法では欠陥を観
察できない。また、超音波深傷法やX線透過法も、こう
した欠陥を評価する上で有効な手段とはならない。この
様に、従来の欠陥評価方法では検出できない欠陥がセラ
ミックス内に存在し、こうした欠陥を評価できればセラ
ミックスを理論強度に近づける手段を見出すことができ
ると期待できるが、現在の評価方法ではこうした欠陥を
評価できないのが実状である。
[0006] On the other hand, as a method for evaluating the defects of ceramics, for example, “Academic Transactions of the Ceramic Society of Japan” [98 (5), p515-516 (1990)]
Or “FC Report” [9 (1991) No. 5, p1
87], there is a method of thinning a ceramic sintered body and directly observing light transmission. However, in a ceramic material that has been HIPed for high density and high strength, the residual pores are crushed by a high-pressure gas of 1000 atm or more, so that defects cannot be observed by a normal light transmission method. Further, the ultrasonic deep wound method and the X-ray transmission method are not effective means for evaluating such defects. As described above, there are defects in the ceramics that cannot be detected by the conventional defect evaluation method, and if such defects can be evaluated, it can be expected that means to bring the ceramic closer to the theoretical strength can be expected. The fact is that it cannot be evaluated.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の様な
事情に着目してなされたものであって、その目的は、H
IP焼結したセラミックスにも適用できる様なセラミッ
クスの欠陥評価方法、およびこうした評価方法の原理を
利用することによって高強度を達成することのできるセ
ラミックスを提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above situation,
An object of the present invention is to provide a ceramic defect evaluation method applicable to IP-sintered ceramics, and a ceramic capable of achieving high strength by utilizing the principle of such an evaluation method.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明とは、常圧焼結の後に熱間静水圧加圧焼結されたセラ
ミックスを、前記常圧焼結時の温度に対して+100℃
〜−200℃の温度範囲内の温度で熱処理し、これを光
透過観察法によって欠陥を観察する点に要旨を有するセ
ラミックスの欠陥評価方法である。尚本発明の評価方法
で対象となるセラミックスとしては、アルミナ、ジルコ
ニア、炭化珪素、窒化珪素、ムライト、およびそれらの
2種以上を含む複合セラミックスも全て含むものであ
る。
According to the present invention which has solved the above-mentioned problems, a ceramic which has been subjected to hot isostatic pressing after normal pressure sintering has a temperature of +100 with respect to the temperature at the time of normal pressure sintering. ° C
This is a defect evaluation method for ceramics, which has a gist in that a heat treatment is performed at a temperature within a temperature range of -200 ° C and the defect is observed by a light transmission observation method. The ceramics to be evaluated in the evaluation method of the present invention include alumina, zirconia, silicon carbide, silicon nitride, mullite, and all composite ceramics containing at least two of them.

【0009】また、上記課題を解決した本発明の高強度
のセラミックスとは、常圧焼結の後に熱間静水圧加圧焼
結されたアルミナまたはジルコニアセラミックスであ
り、該セラミックスを1200〜1600℃の温度範囲
内において50℃間隔の9種類の温度で夫々0.5〜4
時間熱処理し、夫々の部分を光透過観察したとき、平均
欠陥サイズが最も大きく観察された熱処理温度におい
て、該平均欠陥サイズが70μm以下である点に要旨を
有するものである。
Further, the high-strength ceramic of the present invention which has solved the above-mentioned problems is alumina or zirconia ceramic which is sintered under normal pressure and then hot isostatically pressurized. 0.5 to 4 at 9 temperatures at 50 ° C intervals within the temperature range
The gist is that the average defect size is 70 μm or less at the heat treatment temperature at which the largest average defect size is observed when each part is heat-treated and light transmission observation is performed.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】セラミックスの焼結の進行は、粒
界拡散に律速されることが知られている。そしてHIP
焼結の場合には、1000気圧以上のガス圧によって粒
界拡散が促進され、粒界拡散速度は常圧焼結の約100
倍になるといわれている。しかしながら、2時間程度の
HIP処理時間での拡散距離は、せいぜい10μm程度
であり、この拡散距離よりも半径が大きいポアやポア集
合体は、前記の様なHIP焼結中での物質移動によって
は完全に埋め尽くすことができない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION It is known that the progress of sintering of ceramics is limited by grain boundary diffusion. And HIP
In the case of sintering, the diffusion of grain boundaries is promoted by a gas pressure of 1000 atm or more, and the grain boundary diffusion speed is about 100 times that of normal pressure sintering.
It is said to double. However, the diffusion distance in the HIP processing time of about 2 hours is at most about 10 μm, and pores and pore aggregates having a radius larger than this diffusion distance may be affected by mass transfer during HIP sintering as described above. It cannot be completely filled.

【0011】従って、20μm以上のポアやポア集合体
はその一部が残留し、HIPガス圧により押し潰されて
しまうことになる。そして、この押し潰されたポア中に
は、HIP焼結時と同等程度(1000気圧程度)のガ
スが閉じ込められたままで冷却されるので、その近傍に
は大きな引張り応力(引張残留応力)が発生することに
なる。この様にポアが押し潰された状態は、一見すれば
HIP処理によって欠陥となるポアが消滅したように見
えるのであるが、こうした部分が多いセラミックスの強
度は期待通りに改善されない。こうしたことから、HI
P処理されたセラミックスを評価するためには、この残
留応力が残った部分を定量化する必要がある。
Accordingly, pores and pore aggregates having a size of 20 μm or more remain, and are crushed by the HIP gas pressure. In the crushed pores, a gas of about the same level as in the HIP sintering (about 1000 atm) is cooled while being confined, so that a large tensile stress (residual tensile stress) is generated in the vicinity thereof. Will do. At first glance, the state in which the pores are crushed is such that the pores which become defective due to the HIP treatment disappear, but the strength of the ceramic having many such portions is not improved as expected. For these reasons, HI
In order to evaluate the P-treated ceramic, it is necessary to quantify the portion where the residual stress remains.

【0012】発明者らは、上記の様な引張残留応力に着
目し、HIP処理後の試料を再度熱処理して粒界を軟化
させることで、押し潰されたポアを再現できることを見
出し、この熱処理温度について詳細に検討した結果、上
記構成を採用することによって上記目的が見事に達成さ
れることを見出し、本発明を完成するに至った。
The present inventors have paid attention to the tensile residual stress as described above, and found that the crushed pores can be reproduced by heat-treating the sample after the HIP treatment again to soften the grain boundaries. As a result of a detailed study of the temperature, it has been found that the above object can be achieved satisfactorily by adopting the above configuration, and the present invention has been completed.

【0013】押し潰されたポアを再現できる熱処理温度
(以下、「再現温度」と呼ぶことがある)は、セラミッ
クスの種類によっても異なるが、そのセラミックに対し
てHIP焼結前に通常行われる常温焼結温度と関係があ
り、その常圧焼結温度に対して+100℃〜−200℃
の温度範囲内となる。また、この再現温度の好ましい範
囲は、常圧焼結温度に対して±0℃〜−100℃程度で
ある。この様にして押し潰されたポアが再現されれば、
このポアは光透過法により容易に観察することが可能と
なる。尚、通常の常圧焼結は、100℃/hで昇温して
2時間程度の保持で相対密度95%以上得られる温度で
行われているが、再現温度における熱処理時間は0.5
〜4時間程度で良い。
[0013] The heat treatment temperature at which the crushed pores can be reproduced (hereinafter sometimes referred to as the "reproduction temperature") varies depending on the type of ceramics. It has a relationship with the sintering temperature, and the normal pressure sintering temperature is + 100 ° C to -200 ° C.
Within the temperature range. A preferable range of the reproduction temperature is about ± 0 ° C. to −100 ° C. with respect to the normal pressure sintering temperature. If the crushed pore is reproduced in this way,
These pores can be easily observed by a light transmission method. Note that ordinary normal pressure sintering is performed at a temperature at which a relative density of 95% or more can be obtained by raising the temperature at 100 ° C./h and maintaining the temperature for about 2 hours.
It may be about 4 hours.

【0014】また、セラミックスの強度は、破壊靱性値
に比例し、破壊の起点となる欠陥サイズの1/2乗に反
比例する。そしてセラミックスの強度を向上させる為
に、破壊靱性値を向上させる試みが多く為されたことは
前述した通りであるが、欠陥サイズを小さくすることに
ついては殆ど考慮されていなかった。これは、セラミッ
クス中の欠陥を定量的に評価する有効な手投がなかった
ことが大きく影響していると考えられる。特に、HIP
処理をしたセラミックス焼結体は、見かけ上真密度まで
緻密化しており、常圧焼結後の試料の様にはポアが残存
していないと考えられていたので、欠陥は殆どないもの
と見られていた。
The strength of the ceramic is proportional to the fracture toughness value and inversely proportional to the square of the defect size which is the starting point of the fracture. As described above, many attempts have been made to improve the fracture toughness value in order to improve the strength of ceramics, but little consideration has been given to reducing the defect size. This is considered to be largely due to the fact that there was no effective manual throw for quantitatively evaluating defects in ceramics. In particular, HIP
The treated ceramic sintered body was apparently densified to the true density, and it was thought that pores did not remain like the sample after normal pressure sintering. Had been.

【0015】発明者らは、HIP焼結により完全に欠陥
が除去されたならば、強度はもっと向上するはずである
が、実際の強度向上幅は高々2〜3割程度であることに
着目し、HIP焼結によって欠陥が完全に除去されてい
るように見えてはいるものの、実際にはセラミックス中
に欠陥が残存しているものと考えた。HIP処理により
促進された粒界拡散で除去されるポアは、せいぜい10
μm程度のものであり、それよりも大きいサイズを持つ
ポアは、HIP焼結中の高圧で押しつぶされてしまうこ
とになる。
The inventors have noticed that if the defects were completely removed by HIP sintering, the strength would have been further improved, but the actual strength improvement range was at most about 20 to 30%. Although it appeared that the defect was completely removed by the HIP sintering, it was considered that the defect actually remained in the ceramics. The pores removed by the grain boundary diffusion promoted by the HIP process are at most 10
A pore having a size of about μm and a size larger than that will be crushed by high pressure during HIP sintering.

【0016】そして前述の如く、当然このポアの中に
は、一気圧の大気が入っているので、HIP焼結により
押し潰されたポア内には、HIP処理と同圧(例えばH
IP処理圧が1500気圧ならば1500気圧程度)の
高圧大気が残されることになる。この閉じ込められた高
圧大気に起因して、押し潰されたポア近傍には引張り応
力が働き、これが強度的に弱い部分(HIP焼結体中の
欠陥)として残存することになると考えられる。上記し
た様な「欠陥」は、従来の方法では観察不能であるが、
本発明の評価方法によれば観察可能となる。次に、本発
明で規定する各要件について説明する。
As described above, since one atmosphere is naturally contained in the pores, the pores crushed by the HIP sintering have the same pressure as the HIP treatment (for example, H
If the IP processing pressure is 1500 atm, a high pressure atmosphere of about 1500 atm is left. It is considered that, due to the confined high-pressure atmosphere, a tensile stress acts near the crushed pore, and this remains as a weak portion (defect in the HIP sintered body). "Defects" as described above are not observable by conventional methods,
According to the evaluation method of the present invention, observation becomes possible. Next, each requirement specified in the present invention will be described.

【0017】まずセラミックスの熱処理温度(上記再現
温度)は、上述したようにその常圧焼結時の温度に対し
て+100℃〜−200℃となるのであるが、アルミナ
やジルコニア等のセラミックスの場合には、1200℃
〜1600℃の温度範囲で熱処理することでポアが再現
できる。
First, as described above, the heat treatment temperature of the ceramics (the above-mentioned reproduction temperature) is + 100 ° C. to −200 ° C. with respect to the temperature during normal pressure sintering, but in the case of ceramics such as alumina and zirconia. 1200 ° C
The pores can be reproduced by heat treatment in a temperature range of の 1600 ° C.

【0018】そこで、上記の温度範囲を50℃間隔で9
つの温度を選択し、夫々の温度で熱処理し、この熱処理
温度とセラミックス強度との関係について更に検討し
た。その結果、平均欠陥サイズが最も大きく観察された
熱処理温度で、この部分の平均欠陥サイズが70μm以
下となる様にすれば、高強度セラミックスとなり得るこ
とを見出した。
Therefore, the above-mentioned temperature range is set to 9 at 50 ° C. intervals.
Two temperatures were selected and heat treatment was performed at each temperature, and the relationship between the heat treatment temperature and ceramic strength was further studied. As a result, it has been found that if the average defect size is set to 70 μm or less at the heat treatment temperature at which the average defect size is observed to be the largest, a high-strength ceramic can be obtained.

【0019】本発明の高強度セラミックスを得る為の具
体的な手順について説明する。まずアルミナセラミック
スの製造においては、純度99.99%以上のアルミナ
を主原料として、これに純度99.5%以上のMgO,
CaO,Y23 等の酸化物の1種以上を、焼結助剤と
して0.5重量%程度まで添加する。ここで、この酸化
物の添加量が0.5重量%を超えると、後の混合工程で
偏析が生じ易くなったり、焼結工程でガラス相を生じ易
くなる。
A specific procedure for obtaining the high-strength ceramic of the present invention will be described. First, in the production of alumina ceramics, alumina having a purity of 99.99% or more is used as a main raw material, and this is mixed with MgO having a purity of 99.5% or more.
One or more oxides such as CaO and Y 2 O 3 are added as a sintering aid up to about 0.5% by weight. Here, if the addition amount of this oxide exceeds 0.5% by weight, segregation is likely to occur in the subsequent mixing step or a glass phase is likely to occur in the sintering step.

【0020】次いで、HPC(ヒドロキシプロピルセル
ロース)、PVA(ポリビニルアルコール)、アクリル
系等の有機溶剤をバインダーとして、0.5〜4.0重
量%を含有させる。このときの溶媒としては、水を用い
る。また必要に応じて、分散剤としてポリカルボン酸ア
ンモニウム等を0.1〜0.5重量%含有させる。
Next, 0.5 to 4.0% by weight of an organic solvent such as HPC (hydroxypropylcellulose), PVA (polyvinyl alcohol) or acrylic is used as a binder. At this time, water is used as the solvent. If necessary, 0.1 to 0.5% by weight of ammonium polycarboxylate or the like is contained as a dispersant.

【0021】上記の様にして、主原料粉末、バインダ
ー、分散剤等を混合するのであるが、このときスラリー
濃度は50〜65重量%とするのが好ましい。溶質の濃
度が50重量%未満になると、後の造粒乾燥工程で中実
な顆粒が得られ難く、65重量%を超えると、球状以外
の変形した顆粒が生成してしまう可能性がある。これら
を混合させる際の混合方法は、常法に従ってスラリーを
得る。このときスラリーが発泡していれば、消泡剤を
0.01〜1.5重量%程度添加する。
As described above, the main raw material powder, the binder, the dispersant and the like are mixed. At this time, it is preferable that the slurry concentration is 50 to 65% by weight. If the solute concentration is less than 50% by weight, it is difficult to obtain solid granules in the subsequent granulation and drying step, and if it exceeds 65% by weight, deformed granules other than spherical particles may be formed. As a mixing method for mixing them, a slurry is obtained according to a conventional method. At this time, if the slurry is foaming, about 0.01 to 1.5% by weight of an antifoaming agent is added.

【0022】次いで、スプレードライヤーにて造粒乾燥
し、焼結助剤を含有した二次粒子を得て、作業上の取り
扱い性や成分備析妨止上好ましい状態にする。できるだ
け中実・球状で潰れやすい顆粒を得る為に、造粒乾燥で
のスプレードライヤーの条件には特に注意を要する。例
えば、チヤンバー上部にあるディスクの回転数は100
00rpm程度の高めにして、顆粒径はできるだけ小さ
めにする。また、顆粒を急激に乾燥するとバインダーが
表面に濃化するので、熱風温度は溶媒の沸点からあまり
高めにせずに110〜150℃程度とするのが良い。
Next, the particles are granulated and dried by a spray drier to obtain secondary particles containing a sintering aid, and are brought into a preferable state in terms of workability in work and prevention of component deposition. In order to obtain granules that are as solid, spherical and crushable as possible, special attention must be paid to the conditions of the spray dryer in granulation drying. For example, the number of rotations of the disk above the chamber is 100
The particle size is made as small as possible by increasing the speed to about 00 rpm. Further, if the granules are rapidly dried, the binder is concentrated on the surface. Therefore, the temperature of the hot air is preferably set to about 110 to 150 ° C. without increasing the boiling point of the solvent so much.

【0023】引き続き、焼結助剤含有アルミナ二次粒子
を所望の形状に成形する。このときの成形方法として
は、特に限定されるものではないが、静水圧プレス法、
射出成型法、一軸成形法等を適用することができる。こ
うした成形後には、機械加工によって更に成形しても良
いし、或いは単純なフロック状に成形しておき、その後
機械加工によって所望の形状にする様にしても良い。
Subsequently, the alumina secondary particles containing the sintering aid are formed into a desired shape. The molding method at this time is not particularly limited, but the isostatic pressing method,
An injection molding method, a uniaxial molding method, or the like can be applied. After such forming, it may be further formed by machining, or may be formed into a simple floc shape, and then formed into a desired shape by machining.

【0024】上記の様にして得られた成形体は、まず常
圧焼結されるが、このときの常圧焼結の雰囲気は大気雰
囲気で十分である。そして焼結温度は、1250〜15
50℃で行なう。こうした処理を施すことによって、相
対密度が95%以上の常圧焼結体が得られる。このとき
の焼結温度が低すぎると、常圧焼結体の密度が十分に上
がらず、後述する加圧焼結(HIP焼結)によっても緻
密化されない。また高すぎると、結晶粒の成長が著しく
進んで強度が低下する。焼結時間は量およぴ形状にもよ
るが、たいていの場合には0.5〜4時間程度で十分で
あり、この焼結時間を長くしても、却って粒成長が進ん
でしまうことになる。
The compact obtained as described above is first sintered under normal pressure, and the atmosphere of the normal pressure sintering at this time is sufficiently atmospheric. And the sintering temperature is 1250-15
Perform at 50 ° C. By performing such a treatment, a normal pressure sintered body having a relative density of 95% or more can be obtained. If the sintering temperature at this time is too low, the density of the normal pressure sintered body does not sufficiently increase, and the sintered body is not densified by pressure sintering (HIP sintering) described later. On the other hand, if it is too high, the growth of the crystal grains proceeds remarkably, and the strength decreases. The sintering time depends on the amount and shape, but in most cases, about 0.5 to 4 hours is sufficient. Even if this sintering time is extended, the grain growth will rather proceed. Become.

【0025】次に、得られた常圧焼結体をHIP焼結す
る。常圧焼結体を、例えばアルミナ,ジルコニア,チタ
ニア等の耐火物粉末中に埋め込むとともに、アルゴン、
窒素等不活性ガス加圧雰囲気で本焼結を行なう。但し、
上記雰囲気が達成されるのであれば、常圧焼結体を必ず
しもアルミナ,ジルコニア,チタニア等の耐火物粉末中
に埋め込む必要はない。
Next, the obtained normal pressure sintered body is subjected to HIP sintering. The normal pressure sintered body is embedded in a refractory powder such as alumina, zirconia, titania, and the like, and argon,
The main sintering is performed in a pressurized atmosphere of an inert gas such as nitrogen. However,
As long as the above atmosphere is achieved, it is not necessary to embed the normal-pressure sintered body in a refractory powder such as alumina, zirconia, or titania.

【0026】このHIP焼結における加圧焼結条件は、
温度:1200〜1450℃、圧力:1000〜200
0kgf/cm2 であることが好ましい。この温度が1
200℃未満では緻密化が十分に達成されす、1450
℃を超えると緻密化は進むが結晶粒の成長が著しく強度
が低下する。また圧力が1000kgf/cm2 未満と
なると、緻密化のための加圧効果があまり得られず、2
000kgf/cm2を超えても加圧の効果はそれほど
得られず、かえって装置のコストが上がることになる。
尚、加圧焼結時間は、0.5〜3時間程度保持すれば十
分であり、この時間をあまり長くしても効果はそれほど
変わらない。
The pressure sintering conditions in this HIP sintering are as follows:
Temperature: 1200-1450 ° C, pressure: 1000-200
It is preferably 0 kgf / cm 2 . This temperature is 1
Below 200 ° C., densification is sufficiently achieved, 1450
If the temperature exceeds ℃, densification proceeds, but growth of crystal grains is remarkable, and strength is reduced. When the pressure is less than 1000 kgf / cm 2, the effect of pressurizing for densification is not so high,
Even if the pressure exceeds 000 kgf / cm 2 , the effect of pressurization is not so obtained, and the cost of the apparatus is rather increased.
It is sufficient that the pressure sintering time is maintained for about 0.5 to 3 hours. Even if this time is too long, the effect does not change much.

【0027】次に、ジルコニアセラミックスの製造にお
いては、平均粒径が1.0μm以下のジルコニア粉末
に、MgO,CaO,Y23 等の酸化物の1種以上が
固溶しており、且つこの固溶している酸化物量はY2
3 で2.0〜4.0mol%、MgOで3.0〜5.0
mol%、CaOで3.0〜6.0mol%である。ま
これらの酸化物を複合して添加する場合には、総量で
3.0〜9.0mol%とすれば良い。そして、酸化物
が固溶したジルコニア粉末にバインダーを添加し、これ
らを混合させる際の混合方法は常法に従えば良い。尚、
湿式混合し、乾燥および造粒して焼結助剤含有二次粒子
としておけば、作業上の取り扱い性や成分偏析防止上好
ましい。
Next, in the production of zirconia ceramics, one or more oxides such as MgO, CaO and Y 2 O 3 are dissolved in zirconia powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less, and The amount of the solid solution oxide is Y 2 O
2.0 to 4.0 mol% in 3 and 3.0 to 5.0 in MgO
mol%, and 3.0 to 6.0 mol% in CaO. When these oxides are added in combination, the total amount may be 3.0 to 9.0 mol%. Then, a binder may be added to the zirconia powder in which the oxide is dissolved, and a mixing method for mixing these may be in accordance with a conventional method. still,
It is preferable in terms of wet handling, drying and granulation to form sintering aid-containing secondary particles in terms of workability in operation and prevention of component segregation.

【0028】ここで、酸化物が固溶したジルコニア粉末
を用いるのは、後の述べるジルコニア結晶相の正方晶を
使用温度(=室温)で多く形成させ、部分安定化ジルコ
ニアとする為である。ジルコニアの結晶構造としては、
低温域の単斜晶、高温域の正方晶、更に高温域の立方晶
が挙げられる。そして、酸化物添加量が少なければ焼結
後の冷却時に正方晶/単斜晶変態が高温で生じ、多けれ
ば焼結後の冷却時に立方晶が室温に至るまで安定となる
ので、適切な酸化物を適切な量だけ固溶させる必要があ
る。
The reason for using the zirconia powder in which the oxide is dissolved is to form a large number of tetragonal crystals of the zirconia crystal phase to be described later at a use temperature (= room temperature) to obtain partially stabilized zirconia. As the crystal structure of zirconia,
Monoclinic crystals in the low temperature range, tetragonal crystals in the high temperature range, and cubic crystals in the high temperature range. If the amount of oxide added is small, the tetragonal / monoclinic transformation occurs at a high temperature during cooling after sintering, and if the amount is large, the cubic crystal becomes stable up to room temperature during cooling after sintering. It is necessary to dissolve the substance in an appropriate amount.

【0029】引き続き、酸化物が固溶しバインダーを添
加したジルコニア粉末を所望の形状に成形する。このと
きの成形方法としては、特に限定されないが、静水圧プ
レス法、射出成型法、一触成形法等を適用することがで
きる。この成形後に機械加工によって更に成形する様に
しても良いし、或いは単純なフロック状に成形してお
き、機械加工によって所望の形状にしても良い。
Subsequently, the zirconia powder to which the oxide is dissolved and the binder is added is formed into a desired shape. The molding method at this time is not particularly limited, but an isostatic pressing method, an injection molding method, a one-touch molding method, or the like can be applied. After this molding, it may be further formed by machining, or may be formed into a simple floc shape and then formed into a desired shape by machining.

【0030】得られた成形体を、まず常圧焼結する。こ
のときの常圧焼結の雰囲気は、大気雰囲気で十分であ
る。また昇温速度を保持温度までの平均で50〜100
℃/hとして、1250〜1550℃で焼結し、室温ま
での平均で冷却速度を50〜150℃として冷却する。
この様にして、相対密度が95%以上の常圧焼結体が得
られる。このときの焼結温度が低すぎると、常圧焼結体
の密度が十分に上がらず、後述する加圧焼結によっても
緻密化されない。また高すぎると結晶粒の成長が著しく
進み、強度が低下することになる。尚焼結時間は量およ
び形状にもよるが、大抵の場合は0.5〜4時間程度で
十分であり、この焼結時間を長くしても、却って粒成長
が進むことになる。
The obtained compact is first sintered under normal pressure. Atmosphere for atmospheric pressure sintering at this time is sufficient. In addition, the rate of temperature rise is 50 to 100 on average to the holding temperature.
Sintering is performed at 1250 to 1550 ° C at a rate of ° C / h, and cooling is performed at an average cooling rate of 50 to 150 ° C up to room temperature.
Thus, a normal pressure sintered body having a relative density of 95% or more is obtained. If the sintering temperature at this time is too low, the density of the normal pressure sintered body does not sufficiently increase, and the sintered body is not densified by pressure sintering described below. On the other hand, if it is too high, the growth of crystal grains will proceed remarkably, and the strength will decrease. The sintering time depends on the amount and shape, but in most cases, about 0.5 to 4 hours is sufficient. Even if the sintering time is lengthened, the grain growth will rather proceed.

【0031】上記の焼結後には正方晶が80体積%以上
であることが重要である。部分安定化ジルコニアは、高
強度・高靱性を有するものとなる。その発現は、応力場
における亀裂先端での前述の正方晶/単斜晶変態が起こ
り、破壊エネルギー吸収されている為と説明されてい
る。そのため、焼結後には多くの正方晶が形成されてい
ることが必要であり、その為には焼結後には正方晶が8
0体積%以上であることが重要となる。
After the above sintering, it is important that the tetragonal content is 80% by volume or more. Partially stabilized zirconia has high strength and high toughness. It is explained that the onset is due to the above-described tetragonal / monoclinic transformation at the crack tip in the stress field and the absorption of fracture energy. Therefore, it is necessary that a large number of tetragons are formed after sintering.
It is important that the content is 0% by volume or more.

【0032】次に、得られた常圧焼結体をHIP焼結す
る。そして常圧焼結体をアルミナ、ジルコニア、チタニ
アなどの耐火物粉末中に埋め込むとともにアルゴン、窒
素等不活性ガス加圧雰囲気で本焼結を行う。このとき前
記と同様に、上記雰囲気であれば必ずしも常圧焼結体を
アルミナ、ジルコニア、チタニアなどの耐火物粉末中に
埋め込む必要はない。
Next, the obtained atmospheric pressure sintered body is HIP sintered. Then, the normal pressure sintered body is embedded in a refractory powder such as alumina, zirconia, or titania, and the main sintering is performed in an inert gas pressurized atmosphere such as argon or nitrogen. At this time, similarly to the above, it is not always necessary to embed the normal-pressure sintered body in a refractory powder of alumina, zirconia, titania or the like in the above atmosphere.

【0033】加圧焼結条件は、昇温速度を保持温度まで
の平均で200〜500℃/hとして、1200〜14
50℃で焼結し、室温までの平均で冷却速度を50〜3
500C/hとする。そして、相対密度がおよそ100
%のHIP焼結体を得る。このときの保持圧力は、10
00〜2000kgf/cm2 であることが好ましい。
The pressure sintering conditions are as follows: the heating rate is 200 to 500 ° C./h on average to the holding temperature;
Sintering at 50 ° C and cooling rate of 50 to 3 on average to room temperature
500 C / h. And the relative density is about 100
% HIP sintered body is obtained. The holding pressure at this time is 10
It is preferably from 00 to 2000 kgf / cm 2 .

【0034】焼結温度が1200℃未満では緻密化が十
分に進まず、1450℃を越えると緻密化は進むが結晶
粒の成長が著しく強度は低下する。保持圧力が1000
kgf/cm2 未満では緻密化のための加圧効果があま
り得られず、2000kgf/cm2 を越えても加圧の
効果はそれほど得られず、却って装置のコストが上が
る。加圧焼結時間は30分〜3時間程度保持すれば十分
であり、時間を長くしても効果はそれほど変わらない。
尚、このHIP焼結後でも正方晶が80体積%以上であ
ることが重要である。
If the sintering temperature is lower than 1200 ° C., the densification does not proceed sufficiently. If the sintering temperature exceeds 1450 ° C., the densification proceeds, but the growth of crystal grains is remarkably reduced in strength. Holding pressure is 1000
If the pressure is less than kgf / cm 2 , the effect of pressurizing for densification is not so much obtained, and if it exceeds 2000 kgf / cm 2 , the effect of pressurization is not so obtained, and the cost of the apparatus is rather increased. It is sufficient to maintain the pressure sintering time for about 30 minutes to 3 hours, and the effect does not change much even if the time is increased.
It is important that the tetragonal content is 80% by volume or more even after the HIP sintering.

【0035】尚、本発明で採用した前記ジルコニアの結
晶構造の測定方法は下記の通りである。回転対陰極型X
線回折装置RU−300(商品名:株式会社リガク製)
を用い、結晶構造の定性・定量分析を行なった。この装
置で用いた管球はCu(湾曲モノクロ結晶による単色
化:CuによるKα線)、管電圧は50kV、管電流は
200mAであり、測定によりX線回折プロフィールの
多重記録を得ることによって定性分析を行った。そし
て、測定された各結晶構造の回折ピークを精密に測定し
直し、ピーク分離後に各々積算強度を算出した。その値
について定量の企画化を行ない、体積率を算出した。但
し、得られた定量値は、各成分の合計を100%とし
た。
The method for measuring the crystal structure of zirconia employed in the present invention is as follows. Rotating anti-cathode type X
Ray diffraction device RU-300 (trade name: manufactured by Rigaku Corporation)
Was used for qualitative and quantitative analysis of the crystal structure. The tube used in this apparatus is Cu (monochromatic by curved monochrome crystal: Kα ray by Cu), the tube voltage is 50 kV, the tube current is 200 mA, and qualitative analysis is performed by obtaining multiple records of the X-ray diffraction profile by measurement. Was done. Then, the measured diffraction peak of each crystal structure was precisely measured again, and the integrated intensity was calculated after each peak separation. Quantitative planning was performed for the value, and the volume ratio was calculated. However, in the obtained quantitative value, the total of each component was taken as 100%.

【0036】以下、本発明を実施例によって更に詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することは
いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are not intended to limit the present invention, and any change in the design based on the above and following points is not limited to the present invention. It is included in the technical range of.

【0037】[0037]

【実施例】下記の手順で、本発明のセラミックスを製造
した。まず純度99.9%以上のアルミナ粉末を主原料
とし、これにMgO,CaO,Y23 等の酸化物の1
種以上を焼結助剤として0.0〜0.5重量%添加し
た。HPC、PVAまたはアクリル系などの有機バイン
ダーを2〜5重量%、および分散剤としてポリカルボン
酸アンモニウム等を0.1〜0.5重量%を含有させ
た。このとき溶媒としては、水またはエタノールを用
い、溶質の濃度を55重量%とした。これらの原料をポ
ットミルまたはボールミルにて20時間湿式混合してス
ラリーとした。混合後、気泡が発生しているスラリーに
は消泡剤を0.01〜1.5重量%添加した。このとき
用いた混合ボールは、不純物の混入を避ける為に、純度
が約99.5%のアルミナとした。
EXAMPLES A ceramic according to the present invention was manufactured by the following procedure. First, an alumina powder having a purity of 99.9% or more is used as a main raw material, and an oxide of MgO, CaO, Y 2 O 3 or the like is added thereto.
The seeds were added in an amount of 0.0 to 0.5% by weight as a sintering aid. An organic binder such as HPC, PVA or acrylic was contained in an amount of 2 to 5% by weight, and as a dispersant, ammonium polycarboxylate or the like was contained in an amount of 0.1 to 0.5% by weight. At this time, water or ethanol was used as the solvent, and the concentration of the solute was 55% by weight. These raw materials were wet-mixed in a pot mill or a ball mill for 20 hours to form a slurry. After mixing, 0.01 to 1.5% by weight of an antifoaming agent was added to the slurry in which bubbles were generated. The mixed balls used at this time were made of alumina having a purity of about 99.5% in order to avoid mixing of impurities.

【0038】その後、スプレードライヤーの熱風温度を
70〜170℃、ディスクの回転数を7000〜150
00rpmとして造粒乾燥し、平均粒径:60〜200
μmの焼結助剤含有アルミナ二次粒子とした。尚、焼結
助剤、バインダー、、スプレードライヤーの条件の違い
によって、アルミナ二次粒子は粒径および形状の違うも
のが得られる。
Thereafter, the hot air temperature of the spray drier is set at 70 to 170 ° C., and the number of rotations of the disc is set at 7000 to 150 ° C.
Granulated and dried at 00 rpm, average particle size: 60 to 200
The resulting particles were alumina secondary particles containing a sintering aid of μm. The alumina secondary particles having different particle diameters and shapes can be obtained depending on the conditions of the sintering aid, binder, and spray dryer.

【0039】次いで、アルミナ二次粒子を成形圧:1〜
3ton/cm2 で静水圧プレス法により成形した。以
上の製法により得られた、欠陥量、サイズの異なる6種
類のアルミナ成形体を1500℃で2時間常圧焼結し、
得られた焼結体を、温度:1400℃、圧力:1500
kgf/cm2 のAr雰囲気中で2時間HIP焼結し
た。得られた焼結体の密度をアルキメデス法により測定
したところ、真密度(的3.98g/cm3 )まで緻密
化されていることが確認できた。
Next, the alumina secondary particles were formed at a molding pressure of 1 to 1.
It was molded by a hydrostatic pressing method at 3 ton / cm 2 . Six types of alumina compacts having different defects and different sizes obtained by the above-mentioned manufacturing method were sintered under normal pressure at 1500 ° C. for 2 hours.
The obtained sintered body was heated at a temperature of 1400 ° C. and a pressure of 1500.
HIP sintering was performed in an Ar atmosphere of kgf / cm 2 for 2 hours. When the density of the obtained sintered body was measured by the Archimedes method, it was confirmed that the sintered body was densified to a true density (a target of 3.98 g / cm 3 ).

【0040】その後、平面研削盤で厚さ約0.1mmに
加工し、3μmのダイヤモンド砥粒で上下面とも鏡面研
磨した。こうして得られた試料を、透過型光学顕微鏡で
光透過観察したが、欠陥と同定される画像は全く見られ
なかった。この焼結体の組織を、図1(図面代用顕微鏡
写真)に示す。
Thereafter, the surface was machined to a thickness of about 0.1 mm with a surface grinder, and the upper and lower surfaces were mirror-polished with 3 μm diamond abrasive grains. When the sample thus obtained was observed through a transmission optical microscope for light transmission, no image identified as a defect was found. The structure of this sintered body is shown in FIG. 1 (micrograph as a substitute for a drawing).

【0041】これらの試料を、1200℃、1250
℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450
℃、1500℃、1550℃、1600℃の各温度で熱
処理し、更に厚み:0.1mmの薄片を作製した後、光
透過観察したところ、熱処理温度が1300〜1600
℃の範囲で、セラミックス中に黒いイメージの部分が多
く観察された。図2(図面代用顕微鏡写真)に、145
0℃で熱処理したときの光透過観察の結果を示す。この
図2に示される黒いイメージの部分は、欠陥に対応する
ものであり、この欠陥の存在によって光が散乱されて光
が透過しないことを示している。
These samples were prepared at 1200 ° C. and 1250 ° C.
° C, 1300 ° C, 1350 ° C, 1400 ° C, 1450
C., 1500.degree. C., 1550.degree. C., and 1600.degree. C., and a thin piece having a thickness of 0.1 mm was prepared.
In the range of ° C., many black image portions were observed in the ceramics. FIG. 2 (micrograph instead of drawing) shows 145
The results of light transmission observation when heat-treated at 0 ° C. are shown. The portion of the black image shown in FIG. 2 corresponds to a defect, and indicates that the presence of the defect scatters light and does not transmit light.

【0042】熱処理温度が1300℃を下回ると、粒界
が十分軟化せずに欠陥が再現しない。また、熱処理温度
が1600℃を超えると、焼結が進み、欠陥が消滅して
見えなくなってしまう。尚、こうした観察を行なう際の
薄片厚みは、0.01〜0.5μm程度であることが好
ましい。この厚みが0.5μmを超えると十分な透過光
が得られずに組織が鮮明に観察されず、0.01mmよ
りも薄くなると強度が不十分でハンドリングし難くな
る。
When the heat treatment temperature is lower than 1300 ° C., the grain boundaries are not sufficiently softened and the defects cannot be reproduced. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 1600 ° C., sintering proceeds, and defects disappear and disappear. In addition, the thickness of the flakes when such observation is performed is preferably about 0.01 to 0.5 μm. If the thickness exceeds 0.5 μm, sufficient transmitted light cannot be obtained and the tissue is not clearly observed. If the thickness is less than 0.01 mm, the strength is insufficient and handling becomes difficult.

【0043】この黒色部分のサイズをフルマン法により
定量化し、その数値を平均欠陥サイズとした。また、こ
れら6種類のアルミナセラミックスを3×4×50(m
m)のテストピースに加工し、スパン30mmの3点曲
げ試験を実施した。セラミックスにおける平均欠陥サイ
ズと強度の関係を図3に示す。
The size of the black portion was quantified by the Fulman method, and the numerical value was defined as the average defect size. In addition, these six types of alumina ceramics are used in 3 × 4 × 50 (m
m) and processed into a three-point bending test with a span of 30 mm. FIG. 3 shows the relationship between the average defect size and strength in ceramics.

【0044】図3から明らかなように、熱処理をして再
現したHIP処理体中の欠陥サイズが70μm以下であ
ると、3点曲げ強度は600MPa以上の高強度を示し
ていることが分かる。
As is apparent from FIG. 3, when the defect size in the HIP treated body reproduced by the heat treatment is 70 μm or less, the three-point bending strength shows a high strength of 600 MPa or more.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上述べたように、(熱処理+透過観察
法)で定量化された欠陥サイズが70μm以下であるこ
とによって、600MPa以上の高い破壊強度を有する
セラミックスが実現できた。そして、こうした高強度セ
ラミックスは、切削工具やポンプバルブ用部品等の各種
耐摩耗セラミックス、ターボチャージヤーやパルプ等の
自動車部品、ガスタービン等の産業機械用部品や人工骨
等のインプラント材といった様々な用途に好適に使用で
きる。
As described above, when the defect size quantified by (heat treatment + transmission observation method) is 70 μm or less, a ceramic having a high breaking strength of 600 MPa or more can be realized. Such high-strength ceramics include various wear-resistant ceramics such as cutting tools and pump valve parts, automotive parts such as turbochargers and pulp, industrial machine parts such as gas turbines, and implant materials such as artificial bones. Suitable for use.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係るセラミックス焼結体の組織例を示
す図面代用顕微鏡写真である。
FIG. 1 is a micrograph instead of a drawing showing an example of the structure of a ceramic sintered body according to the present invention.

【図2】1450℃で熱処理したときの光透過観察した
組織例を示す図面代用顕微鏡写真である。
FIG. 2 is a drawing-substituting micrograph showing an example of a structure observed by light transmission when heat-treated at 1450 ° C.

【図3】HIP処理されたアルミナセラミックの欠陥サ
イズと強度の関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the defect size and the strength of the HIP-treated alumina ceramic.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金丸 守賀 神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 Fターム(参考) 3C046 PP00 4G030 AA17 AA36 BA18 BA19 BA20 CA07 GA28 GA29 GA33 4G031 AA12 AA29 BA18 BA19 BA20 CA07 GA12 GA16  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Moriga Kanamaru 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe F-term in Kobe Steel Research Institute Kobe Research Institute 3C046 PP00 4G030 AA17 AA36 BA18 BA19 BA20 CA07 GA28 GA29 GA33 4G031 AA12 AA29 BA18 BA19 BA20 CA07 GA12 GA16

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 常圧焼結の後に熱間静水圧加圧焼結され
たセラミックスを、前記常圧焼結時の焼結温度に対して
+100℃〜−200℃の温度範囲内の温度で熱処理
し、これを光透過観察法によって欠陥を観察することを
特徴とするセラミックスの欠陥評価方法。
1. A ceramic which has been subjected to hot isostatic pressing after normal pressure sintering at a temperature within a temperature range of + 100 ° C. to −200 ° C. with respect to the sintering temperature during the normal pressure sintering. A defect evaluation method for ceramics, which comprises performing a heat treatment and observing defects by a light transmission observation method.
【請求項2】 常圧焼結の後に熱間静水圧加圧焼結され
たアルミナまたはジルコニアセラミックスであり、該セ
ラミックスを1200〜1600℃の温度範囲内におい
て50℃間隔の9種類の温度で夫々0.5〜4時間熱処
理し、夫々の部分を光透過観察したとき、平均欠陥サイ
ズが最も大きく観察された熱処理温度において、該平均
欠陥サイズが70μm以下であることを特徴とする高強
度セラミックス。
2. An alumina or zirconia ceramic sintered under normal isostatic pressure after normal pressure sintering, wherein said ceramic is sintered at nine different temperatures at intervals of 50 ° C. within a temperature range of 1200 to 1600 ° C. A high-strength ceramic, wherein the average defect size is 70 μm or less at a heat treatment temperature at which the largest average defect size is observed when each part is subjected to a heat treatment for 0.5 to 4 hours and light transmission observation is performed on each part.
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