JP2021127285A - ジルコニア焼結体、及び、ジルコニア粉末 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ジルコニアと、イットリアと、鉄化合物と、MnO2とを含み、イットリアの含有量が、ジルコニアに対して2mol%以上7mol%以下であり、鉄化合物の含有量が、ジルコニア、及び、イットリアの合計を100質量%としたときに、Fe2O3換算で0.04質量%以上0.16質量%以下であり、MnO2の含有量が、ジルコニア、及び、イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.005質量%以下であるジルコニア焼結体。
【選択図】 なし
Description
ジルコニアと、イットリアと、鉄化合物と、MnO2とを含み、
前記イットリアの含有量が、前記ジルコニアに対して2mol%以上7mol%以下であり、
前記鉄化合物の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、Fe2O3換算で0.04質量%以上0.16質量%以下であり、
前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.005質量%以下であることを特徴とする。
このように、本願発明に係るジルコニア焼結体によれば、コストを低減しながらも安全性に優れ且つ発色のよいジルコニア焼結体を提供することが可能となる。
前記Er2O3の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.01質量%以上0.6質量%以下であることが好ましい。
前記アルミナの含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.005質量%以上1.0質量%以下であることが好ましい。
イットリアを2mol%以上7mol%以下の範囲内で含むジルコニアと、
鉄化合物と、
MnO2とを含み、
前記鉄化合物の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、Fe2O3換算で0.04質量%以上0.16質量%以下であり、
前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.005質量%以下であることを特徴とする。
このように、本願発明に係るジルコニア粉末によれば、コストを低減しながらも安全性に優れ且つ発色のよいジルコニア焼結体を得ることが可能となる。
前記Er2O3の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.01質量%以上0.6質量%以下であることが好ましい。
<サンプル作製方法>
ジルコニア粉末を成型圧1.0t/cm2で成型した後、大気圧下、1450℃2時間の条件で焼結して焼結体を得る工程A、
工程Aで得られた焼結体を厚さ1mmに調整し、且つ、鏡面研磨して色調測定用焼結体を得る工程B。
前記アルミナの含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.005質量%以上1.0質量%以下であることが好ましい。
本実施形態に係るジルコニア粉末は、
イットリアを2mol%以上7mol%以下の範囲内で含むジルコニアと、
鉄化合物と、
MnO2とを含み、
前記鉄化合物の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、Fe2O3換算で0.04質量%以上0.16質量%以下であり、
前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.005質量%以下である。
ジルコニア粉末の平均粒子径は、レーザー回折式粒子径分布測定装置「SALD−2300」(島津製作所社製)を用いて測定した値である。なお、本明細書に記載の平均粒子径は体積基準で測定される値である。
本明細書において、ジルコニア粉末の比表面積は、BET比表面積のことを指し、比表面積計「マックソーブ」、マウンテック製を用いて測定した値である。
<サンプル作製方法>
ジルコニア粉末を成型圧1.0t/cm2で成型した後、大気圧下、1450℃2時間の条件で焼結して焼結体を得る工程A、
工程Aで得られた焼結体を厚さ1mmに調整し、且つ、鏡面研磨して色調測定用焼結体を得る工程B。
以下、ジルコニア粉末の製造方法の一例について説明する。ただし、本発明のジルコニア粉末の製造方法は、以下の例示に限定されない。
塩基性硫酸ジルコニウムスラリーを得る工程1、
前記工程1で得られた塩基性硫酸ジルコニウムスラリーに、イットリウムイオンを含む溶液を添加し、その後、アルカリで中和処理することにより、ジルコニウム含有水酸化物を得る工程2、
前記工程2で得られたジルコニウム含有水酸化物を熱処理(焼成)する工程3、及び、
前記工程3で得られたジルコニウム酸化物に鉄化合物とMnO2とを添加する工程4を有する。
以下、工程ごとに詳細に説明する。
本実施形態に係るジルコニア粉末の製造方法においては、まず、塩基性硫酸ジルコニウムスラリーを得る(工程1)。
工程1の後、まず、前記工程1で得られた塩基性硫酸ジルコニウムスラリーにイットリウムイオンを含む溶液を添加する。
アルカリの添加方法としては、(1)塩基性硫酸ジルコニウムスラリーにアルカリ溶液を添加する、(2)アルカリ溶液に塩基性硫酸ジルコニウムスラリーを添加する、の2つの方法があるが、特に限定されず、どちらの方法を用いてもよい。
中和後、スラリーを濾過することにより、ジルコニウム含有水酸化物が得られる。このジルコニウム含有水酸化物は、必要に応じて、純水等で水洗することにより、不純物を除去することが好ましい。水洗後は、必要に応じて乾燥等を行うことができる。
次に、前記工程2で得られたジルコニウム含有水酸化物を熱処理(焼成)する(工程3)。これにより、ジルコニウム酸化物が得られる。
次に、前記工程3で得られたジルコニウム酸化物に着色剤として鉄化合物とMnO2とを添加する(工程4)。この際、必要に応じて、さらに、着色剤としてEr2O3を添加してもよい。
本実施形態に係るジルコニア焼結体は、
ジルコニアと、イットリアと、鉄化合物と、MnO2とを含み、
前記イットリアの含有量が、前記ジルコニアに対して2mol%以上7mol%以下であり、
前記鉄化合物の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、Fe2O3換算で0.04質量%以上0.16質量%以下であり、
前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.005質量%以下である。
であることが好ましい。前記L*、前記a*、前記b*が前記数値範囲内であると、さらに歯に近い色調といえる。
相対焼結密度(%)=(焼結密度/理論焼結密度)×100・・・(1)
ここで、理論焼結密度(ρ0とする)は、下記式(2−1)によって算出される値である。
ρ0=100/[(Y/3.987)+(100−Y)/ρz]・・・(2−1)
ただし、ρzは、下記式(2−2)によって算出される値である。
ρz=[124.25(100−X)+[安定化剤の分子量]×X]/[150.5(100+X)A2C]・・・(2−2)
ここで、前記安定化剤の分子量は、225.81(Y2O3)を用いる。
また、X及びYはそれぞれ、安定化剤濃度(モル%)及びアルミナ濃度(重量%)である。また、A及びCはそれぞれ、下記式(2−3)及び(2−4)によって算出される値である。
A=0.5080+0.06980X/(100+X)・・・(2−3)
C=0.5195−0.06180X/(100+X)・・・(2−4)
式(1)において、理論焼結密度は,粉末の組成によって変動する。例えば、イットリア含有ジルコニアの理論焼結密度は、イットリア含有量が2mol%であれば6.117g/cm3、3mol%であれば6.098g/cm3、5.5mol%であれば6.051g/cm3である(Al2O3=0重量%の場合)。
また、着色剤を含む場合の理論焼結密度(ρ1とする)は、下記式(2−5)によって算出される値である。
なお、下記式(2−5)では、3種類の着色剤(着色剤1、着色剤2、着色剤3とする)を含む場合の式としているが、着色剤を2種類のみ含む場合は着色剤3の含有量を0として算出すればよく、着色剤を1種類のみ含む場合は着色剤2及び着色剤3の含有量を0として算出すればよい。
ρ1=ρ0(100−Z1−Z2−Z3)/100+V1×(Z1/100)+V2×(Z2/100)+V3×(Z3/100)・・・(2−5)
ここで、Z1、Z2、Z3は、それぞれ着色剤1、着色剤2、着色剤3の濃度(重量%)である。また、V1、V2、V3は、それぞれ着色剤1、着色剤2、着色剤3の理論密度(g/cm3)である。
着色剤理論密度は、Fe2O3が5.24g/cm3、MnO2が5.03g/cm3、Er2O3が8.64g/cm3とする。
また、焼結密度は、アルキメデス法にて計測する。より詳細には実施例に記載の方法による。
このように、本実施形態に係るジルコニア焼結体によれば、コストを低減しながらも安全性に優れ且つ発色のよいジルコニア焼結体を提供することが可能となる。
以下、ジルコニア焼結体の製造方法の一例について説明する。ただし、本発明のジルコニア焼結体の製造方法は、以下の例示に限定されない。
前記ジルコニア粉末を成型し、成型体を得る工程Xと、
前記工程Xの後、前記成型体を前記成型体を1350℃以上1550℃以下、1時間以上5時間以下の条件で焼結する工程Yとを有する。
次に、前記ジルコニア粉末を成型し、成型体を得る(工程X)。成型は、市販の金型成型機や冷間等方圧加圧法(CIP)を採用できる。また、一旦、ジルコニア粉末を金型成型機で仮成型した後、プレス成型で本成型してもよい。プレス成型は通常、0.1t〜3t/cm2の範囲でよい。好ましくは、0.5t〜2.5t/cm2、より好ましくは0.8t〜2.2t/cm2、さらに好ましくは1t〜2t/cm2である。
前記工程Xの後、前記成型体を1350℃以上1550℃以下、1時間以上5時間以下の条件で焼結する(工程Y)。これにより、本実施形態に係るジルコニア焼結体が得られる。1550℃以下とすることにより、着色元素の揮発を抑制し、良好な着色を得ることができる。
常温(25℃)から焼成温度までの昇温速度は、特に制限はないが、50〜200℃/時間とすることができ、100〜150℃/時間がより好ましい。
前記焼結時の保持時間は、2時間以上4時間以下がより好ましく、2時間以上3時間以下がさらに好ましい。焼結時の雰囲気は、大気中又は酸化性雰囲気中とすることができる。
<式(X)>
([酸化ハフニウムの質量]/([酸化ジルコニウムの質量]+[酸化ハフニウムの質量]))×100(%)
(実施例1)
塩基性硫酸ジルコニウム(酸化ジルコニウムとして100g含有)を水1000g中に分散し、塩基性硫酸ジルコニウムスラリーとした。
ジルコニアに対するイットリアの含有量が3.0mol%となるように、濃度5%の塩化イットリウム溶液を、前記塩基性硫酸ジルコニウムスラリーに撹拌しながら添加した。これにより混合液を得た。
次に、前記混合液に、25重量%水酸化ナトリウム水溶液をpHが13.5となるまで添加して沈殿物(ジルコニウム含有水酸化物)を得た。次に、生成した沈殿物を固液分離し、水洗して回収した。次に、回収した固形分を大気中1100℃で2時間焼成し、イットリアで安定化したジルコニウム酸化物(ジルコニア)を得た。
得られたジルコニウム酸化物に一次粒子の平均粒子径0.1μmのアルミナ粉末をジルコニウム酸化物(イットリアが添加されたジルコニウム酸化物)に対して0.10質量%、Fe2O3粉末を0.0540質量%、Er2O3粉末を0.1395質量%、MnO2粉末を0.0001質量%加え、水を分散媒とした湿式ボールミルにて30時間粉砕混合した。得られたスラリーを120℃にて恒量となるまで乾燥し、実施例1に係るジルコニア粉末を得た。
イットリアの含有量、アルミナの含有量、着色剤(鉄化合物、MnO2、Er2O3)の含有量を表1の通りに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜実施例20のジルコニア粉末、及び、ジルコニア焼結体を得た。
なお、表1、表2では、イットリアの含有量については、ジルコニアに対する含有量を、アルミナの含有量については、ジルコニア、及び、イットリアの合計を100質量%としたときの含有量を、着色剤(Fe2O3、MnO2、Er2O3)の含有量については、ジルコニア、及び、イットリアの合計を100質量%としたときの含有量を示している。
実施例で得られたジルコニア粉末の平均粒子径を、レーザー回折式粒子径分布測定装置「SALD−2300」(島津製作所社製)を用いて測定した。より詳細には、サンプル0.15gと40mlの0.2%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液とを50mlビーカーに投入し、卓上超音波洗浄機「W−113」(本多電子株式会社製)で2分間分散した後、装置(レーザー回折式粒子径分布測定装置(「SALD−2300」島津製作所社製))に投入して測定した。結果を表1、表2に示す。
実施例で得られたジルコニア粉末の比表面積を、比表面積計(「マックソーブ」マウンテック製)を用いてBET法にて測定した。結果を表1、表2に示す。
実施例のジルコニア焼結体の相対焼結密度を式(1)に従って求めた。結果を表1、表2に示す。
相対焼結密度(%)=(焼結密度/理論焼結密度)×100・・・(1)
ここで、理論焼結密度(ρ0とする)は、下記式(2−1)によって算出される値である。
ρ0=100/[(Y/3.987)+(100−Y)/ρz]・・・(2−1)
ただし、ρzは、下記式(2−2)によって算出される値である。
ρz=[124.25(100−X)+[安定化剤の分子量]×X]/[150.5(100+X)A2C]・・・(2−2)
ここで、前記安定化剤の分子量は、225.81(Y2O3)を用いる。
また、X及びYはそれぞれ、安定化剤濃度(モル%)及びアルミナ濃度(重量%)である。また、A及びCはそれぞれ、下記式(2−3)及び(2−4)によって算出される値である。
A=0.5080+0.06980X/(100+X)・・・(2−3)
C=0.5195−0.06180X/(100+X)・・・(2−4)
式(1)において、理論焼結密度は,粉末の組成によって変動する。例えば、イットリア含有ジルコニアの理論焼結密度は、イットリア含有量が2mol%であれば6.117g/cm3、3mol%であれば6.098g/cm3、5.5mol%であれば6.051g/cm3である(Al2O3=0重量%の場合)。
また、着色剤を含む場合の理論焼結密度(ρ1とする)は、下記式(2−5)によって算出される値である。
なお、下記式(2−5)では、3種類の着色剤(着色剤1、着色剤2、着色剤3とする)を含む場合の式としているが、着色剤を2種類のみ含む場合は着色剤3の含有量を0として算出すればよく、着色剤を1種類のみ含む場合は着色剤2及び着色剤3の含有量を0として算出すればよい。
ρ1=ρ0(100−Z1−Z2−Z3)/100+V1×(Z1/100)+V2×(Z2/100)+V3×(Z3/100)・・・(2−5)
ここで、Z1、Z2、Z3は、それぞれ着色剤1、着色剤2、着色剤3の濃度(重量%)である。また、V1、V2、V3は、それぞれ着色剤1、着色剤2、着色剤3の理論密度(g/cm3)である。
着色剤理論密度は、Fe2O3が5.24g/cm3、MnO2が5.03g/cm3、Er2O3が8.64g/cm3とした。
また、焼結密度は、アルキメデス法にて計測した。
実施例のジルコニア焼結体を厚さ3mmに調整した後、自動研磨機(「Ecomet 250」BUEHLER製)を使用し、鏡面研磨を行った。鏡面研磨の仕上げには、粒径3μmのダイヤモンド砥粒を含むダイアモンドペーストを用いた。その後、得られた焼結体の色調を、色彩色差計(商品名:CM−3500d、コニカミノルタ社製)を用いてJIS Z 8722に沿って測定した。結果を表1、表2に示す。
Claims (11)
- ジルコニアと、イットリアと、鉄化合物と、MnO2とを含み、
前記イットリアの含有量が、前記ジルコニアに対して2mol%以上7mol%以下であり、
前記鉄化合物の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、Fe2O3換算で0.04質量%以上0.16質量%以下であり、
前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.005質量%以下であることを特徴とするジルコニア焼結体。 - Er2O3を含み、
前記Er2O3の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.01質量%以上0.6質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載のジルコニア焼結体。 - 前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.002質量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のジルコニア焼結体。
- 厚さ1mmに調整し且つ鏡面研磨した後の、L*a*b*表色系で規定されるL*が50以上80以下、a*が−5以上8以下、b*が5以上30以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載のジルコニア焼結体。
- 相対焼結密度が99%以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1に記載のジルコニア焼結体。
- アルミナを含み、
前記アルミナの含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.005質量%以上1.0質量%以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1に記載のジルコニア焼結体。 - イットリアを2mol%以上7mol%以下の範囲内で含むジルコニアと、
鉄化合物と、
MnO2とを含み、
前記鉄化合物の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、Fe2O3換算で0.04質量%以上0.16質量%以下であり、
前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.005質量%以下であることを特徴とするジルコニア粉末。 - Er2O3を含み、
前記Er2O3の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.01質量%以上0.6質量%以下であることを特徴とする請求項7に記載のジルコニア粉末。 - 前記MnO2の含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.0001質量%以上0.002質量%以下であることを特徴とする請求項7又は8に記載のジルコニア粉末。
- 以下のサンプル作製方法により作製した色調測定用焼結体の、L*a*b*表色系で規定されるL*が50以上80以下、a*が−5以上8以下、b*が5以上30以下となることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1に記載のジルコニア粉末。
<サンプル作製方法>
ジルコニア粉末を成型圧1.0t/cm2で成型した後、大気圧下、1450℃2時間の条件で焼結して焼結体を得る工程A、
工程Aで得られた焼結体を厚さ1mmに調整し、且つ、鏡面研磨して色調測定用焼結体を得る工程B。 - アルミナを含み、
前記アルミナの含有量が、前記ジルコニア、及び、前記イットリアの合計を100質量%としたときに、0.005質量%以上1.0質量%以下であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1に記載のジルコニア粉末。
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