JP2020033218A

JP2020033218A - ジルコニア質セラミックスおよびこれを用いた射出成形用金型部品

Info

Publication number: JP2020033218A
Application number: JP2018160534A
Authority: JP
Inventors: 宗幹古賀; Munekimi Koga
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2020-03-05

Abstract

【課題】加熱および冷却が繰り返されても、亀裂が発生しにくく、長期間に亘って破損することなく使用できるジルコニア質セラミックスおよびこれを用いた射出成形用金型部品を提供する。【解決手段】本開示のジルコニア質セラミックスは、気孔を有し、構成される全成分１００質量％のうち、安定化剤を含むジルコニアの含有量が９８質量％以上である。また、気孔は、面積占有率が０．１％以上４．０％以下であり、円相当径の平均値Ｄが０．８μｍ以上１．５μｍ以下であり、円相当径の標準偏差Ｄσに対する円相当径の平均値Ｄの比Ｄσ／Ｄが０．７以下である。また、本開示の射出成形用金型部品は、上記構成のジルコニア質セラミックスを用いたものである。【選択図】なし

Description

本開示は、ジルコニア質セラミックスおよびこれを用いた射出成形用金型部品に関する。

ジルコニア質セラミックスは、優れた機械的強度を備えながら、セラミックスの中でも熱伝導率が低いため、様々な分野で広く用いられている。

例えば、特許文献１には、ジルコニア質セラミックスを射出成形用金型部品として用いることが記載されている。このように、熱伝導率が低いジルコニア質セラミックスを射出成形用金型部品として用いれば、原料が射出成形用金型部品と接触しても、原料の熱が射出成形用金型部品に奪われにくく、原料が冷めにくいことから、原料の流動性を高く維持することができる。

特開平１１−０４８２８７号

射出成形用金型部品として使用されるジルコニア質セラミックスは、原料との接触により、使用時には加熱され、使用が終わると冷却される。そのため、使用の度に、加熱と冷却とが繰り返され、長期間の使用においては、亀裂が発生し、破損してしまうおそれがある。

本開示は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、加熱および冷却が繰り返されても、亀裂が発生しにくく、長期間に亘って破損することなく使用できるジルコニア質セラミックスおよびこれを用いた射出成形用金型部品を提供することを目的とする。

本開示のジルコニア質セラミックスは、気孔を有し、構成される全成分１００質量％のうち、安定化剤を含むジルコニアの含有量が９８質量％以上である。また、気孔は、面積占有率が０．１％以上４．０％以下であり、円相当径の平均値Ｄが０．８μｍ以上１．５μｍ以下であり、円相当径の標準偏差Ｄσに対する円相当径の平均値Ｄの比Ｄσ／Ｄが０．７以下である。

また、本開示の射出成形用金型部品は、上記構成のジルコニア質セラミックスを用いたものである。

本開示のジルコニア質セラミックスは、加熱および冷却が繰り返されても、亀裂が発生しにくい。

本開示の射出成形用金型部品は、上記ジルコニア質セラミックスを備えるものであることから、長期間に亘って、破損することなく使用できる。

以下に、本開示のジルコニア質セラミックスおよびこれを用いた射出成形用金型部品の一例について説明する。

本開示のジルコニア質セラミックスは、気孔を有し、構成される全成分１００質量％のうち、安定化剤を含むジルコニアの含有量が９８質量％以上である。このように、本開示のジルコニア質セラミックスは、安定化剤を含むジルコニアの含有量が９８質量％以上であることから、優れた機械的強度を有し、かつ、熱伝導率が低い。

ここで、安定化剤とは、ジルコニアを安定した相状態（正方晶または立方晶）に保つためのものであり、例えば、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ディスプロシウム（Ｄｙ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等から選ばれる少なくとも１種のことである。特に、安定化剤が酸化マグネシウムであれば、ジルコニアが耐熱性および靱性に優れたものとなる。

また、本開示のジルコニア質セラミックスにおける、安定化剤を含むジルコニアの含有量については、まず、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いてジルコニア質セラミックスの半定量分析を行なうことで、ジルコニウム（Ｚｒ）の含有量を求め、このジルコニウムをジルコニア（ＺｒＯ_２）に換算することで算出する。

次に、安定化剤の含有量については、ジルコニアと同様に、ＸＲＦを用いてジルコニア質セラミックスの半定量分析を行ない、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が検出されたならば、マグネシウムの含有量を酸化マグネシウムに換算することで算出すればよい。そして、上述の方法により算出した、ジルコニアおよび安定化剤の含有量を合計することで、安定化剤を含むジルコニアの含有量を算出することができる。

そして、本開示のジルコニア質セラミックスにおける気孔は、面積占有率が０．１％以上４．０％以下であり、円相当径の平均値Ｄが０．８μｍ以上１．５μｍ以下であり、円相当径の標準偏差Ｄσに対する円相当径の平均値Ｄの比Ｄσ／Ｄが０．７以下である。このような構成を満足していることにより、加熱および冷却が繰り返される際の熱応力を気孔が効果的に緩和し、本開示のジルコニア質セラミックスは、加熱および冷却が繰り返される環境下において、亀裂が発生しにくい。

これに対し、気孔の面積占有率が０．１％未満では、気孔が少ないために、熱応力が緩和されにくく、亀裂が発生しやすくなる。また、気孔の面積占有率が４．０％を超えると、気孔が多いために、亀裂が発生した際に、気孔を介して亀裂が進展し、破損しやすくなる。

また、気孔の円相当径の平均値Ｄが０．８μｍ未満では、気孔が小さいために、気孔による熱応力の緩和がされにくく、亀裂が発生しやすくなる。また、気孔の円相当径の平均値Ｄが１．５μｍを超えると、気孔が大きいために、亀裂が発生した際に、気孔を介して亀裂が進展し、破損しやすくなる。

また、気孔の円相当径の標準偏差Ｄσに対する気孔の円相当径の平均値Ｄの比Ｄσ／Ｄにおいては、気孔の円相当径の平均値が一定の場合、気孔の円相当径の標準偏差Ｄσの値が大きくなれば、比Ｄσ／Ｄの値が大きくなるため、この比Ｄσ／Ｄが０．７を超えると、気孔による熱応力の緩和が均一に行なわれにくく、亀裂が発生しやすくなる。

本開示のジルコニア質セラミックスにおいて、気孔の円相当径の標準偏差Ｄσは、例えば、０．９μｍ以下である。

また、本開示のジルコニア質セラミックスにおける気孔は、重心間距離の標準偏差Ｌσに対する重心間距離の平均値Ｌの比Ｌσ／Ｌが０．７以下であってもよい。このような構成を満足するならば、ジルコニア質セラミックスにおいて、気孔が均一に分散していることから、気孔による熱応力の緩和が均一に行なわれやすくなり、亀裂がより発生しにくくなる。

なお、本開示のジルコニア質セラミックスにおいて、気孔の重心間距離の平均値Ｌは、例えば、５μｍ以上１６μｍ以下であってもよい。また、気孔の重心間距離の標準偏差Ｌσは、例えば、１０μｍ以下であってもよい。

また、本開示のジルコニア質セラミックスにおける気孔は、円相当径の分布曲線における歪度が０より大きくてもよい。ここで、気孔の円相当径の分布曲線とは、２次元のグラフにおける横軸を気孔の円相当径、縦軸を気孔の個数とした、気孔の円相当径の分布を示す曲線をいい、気孔の円相当径の分布範囲を示すものである。

また、歪度とは、分布の非対称性を示す指標であり、Excel（登録商標、Microsoft Corporation）に備えられている関数ＳＫＥＷを用いて求めることができる。

なお、歪度が０より大きければ、気孔の円相当径の分布曲線において、気孔の円相当径の平均値Ｄよりも小さい円相当径を有する気孔の個数が、気孔の円相当径の平均値Ｄよりも大きい円相当径を有する気孔の個数よりも多いことを意味する。

よって、気孔の面積占有率が一定の場合において、気孔の円相当径の平均値Ｄよりも小さい円相当径を有する気孔の個数が多いことは、気孔の円相当径の平均値Ｄよりも大きい円相当径を有する気孔の個数が多い場合よりも、気孔の全個数が多いことを意味する。そのため、上記構成を満足するならば、気孔により熱応力が効果的に緩和されるため、亀裂がより発生しにくくなる。

ここで、本開示のジルコニア質セラミックスにおける、気孔の面積占有率、気孔の円相当径の平均値Ｄ、気孔の円相当径の標準偏差Ｄσ、気孔の重心間距離の平均値Ｌ、気孔の重心間距離の標準偏差Ｌσおよび気孔の円相当径の分布曲線における歪度は、以下の方法で測定すればよい。

まず、本開示のジルコニア質セラミックスを切断し、切断した面を鏡面研磨し、鏡面研磨した面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１５００倍の倍率で撮影する。そして、撮影した写真に対して、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製、なお、以降に画像解析ソフト「Ａ像くん」と記した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示すものとする。）の粒子解析という手法を適用して画像解析を行なうことにより、気孔の面積占有率、気孔の円相当径の平均値Ｄおよび気孔の円相当径の標準偏差Ｄσを、分散解析という手法を適用して画像解析を行なうことにより、気孔の重心間距離の平均値Ｌおよび気孔の重心間距離の標準偏差Ｌσを求めることができる。また、得られた気孔の円相当径のデータから気孔の円相当径の分布曲線における歪度を算出することができる。ここで、画像解析ソフト「Ａ像くん」の解析条件としては、結晶粒子の明度を「暗」、２値化の方法を「手動」、小図形除去面積を０．４μｍ、画像の明暗を示す指標であるしきい値を５０以上１２０以下とすればよい。

また、上記構成のジルコニア質セラミックスを用いた射出成形用金型部品であれば、原料の流動性を高く維持できるとともに、原料との接触による加熱および冷却が繰り返されても、亀裂が発生しにくく、長期間に亘って、破損することなく使用できる。

ここで、射出成形用金型部品とは、例えば、原料と接触する、金型までの導入部品にあたるスプルーブッシュ等である。

次に、本開示のジルコニア質セラミックスの製造方法の一例について説明する。

まず、ジルコニア粉末を準備し、ジルコニア粉末１００質量部に対して、安定化剤である酸化マグネシウム粉末を２質量部以上４質量部以下と溶媒とを添加し、ボールミルまたはビーズミル等を用いて粉砕し、スラリーとする。なお、焼成後の焼結体において、安定化剤を含むジルコニアが９８質量％以上となるならば、焼結助剤として酸化アルミニウム粉末または酸化珪素粉末等を添加してもよい。

次に、スラリーにアニオン系の分散剤を添加し、これらを混合した後にスプレードライヤーで噴霧乾燥することにより顆粒とする。ここで、アニオン系の分散剤を加えることにより、ジルコニア粉末および安定化剤としての酸化マグネシウム粉末を適度に分散させることができる。そして、アニオン系の分散剤の添加量および添加後の混合時間を適宜調整することで、焼成後において、気孔の量および大きさに制御することができる。ここで、アニオン系の分散剤は、ジルコニア粉末および安定化剤としての酸化マグネシウム粉末の合計１００質量部に対し、０．１質量部以上１．０質量部以下加えればよい。

そして、この顆粒を用いて所望の成形法、例えば、乾式加圧成形法，冷間静水圧加圧成形法等により成形体を作製する。または、この顆粒を坏土化することで押出成形法、射出成形法等により成形体を作製してもよい。

その後、この成形体を１６００℃以上１７５０℃以下で焼成することによって、焼結体を得ることができる。そして、この焼結体に、所望の加工方法、例えば、研削加工および研磨加工等を行なうことによって、本開示のジルコニア質セラミックスを得る。

Claims

気孔を有し、構成される全成分１００質量％のうち、安定化剤を含むジルコニアの含有量が９８質量％以上であり、
前記気孔は、
面積占有率が０．１％以上４．０％以下であり、
円相当径の平均値Ｄが０．８μｍ以上１．５μｍ以下であり、
円相当径の標準偏差Ｄσに対する円相当径の平均値Ｄの比Ｄσ／Ｄが０．７以下であるジルコニア質セラミックス。
前記気孔は、重心間距離の標準偏差Ｌσに対する重心間距離の平均値Ｌの比Ｌσ／Ｌが０．７以下である請求項１に記載のジルコニア質セラミックス。
前記気孔は、円相当径の分布曲線における歪度が０より大きい請求項１または請求項２に記載のジルコニア質セラミックス。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のジルコニア質セラミックスを用いた射出成形用金型部品。