JP2587704B2 - Zirconia sintered body and method for producing the same - Google Patents

Zirconia sintered body and method for producing the same

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、強度および靭性に極めて優れ且つ低温劣化
現象を生じないジルコニア焼結体の製造方法に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a zirconia sintered body that is extremely excellent in strength and toughness and does not cause a low-temperature deterioration phenomenon.

従来技術とその問題点 正方晶安定化ジルコニア(以下特に必要でない限り、
単にTZPという)および部分安定化ジルコニア(以下特
に必要でない限り、単にPSZという)は、高温安定相で
ある正方晶を室温まで安定化させた焼結体であり、強度
および靭性に優れている。この様なTZPおよびPSZにあっ
ては、応力を受けてクラックが発生した場合には、クラ
ック先端の応力場で応力により誘起されて正方晶が単斜
晶に相変態し、その際に生ずる体積膨脹により、クラッ
クの進行が抑制されるので、アルミナ、SiCなどの他の
セラミックスに比して、高い強度および靭性が発揮され
る。
Prior art and its problems Tetragonal stabilized zirconia (hereinafter, unless otherwise required,
TZP) and partially stabilized zirconia (hereinafter simply referred to as PSZ unless otherwise required) are sintered bodies in which tetragonal crystals, which are high-temperature stable phases, are stabilized to room temperature, and have excellent strength and toughness. In such TZP and PSZ, when a crack is generated by receiving stress, the tetragonal phase is transformed into monoclinic by the stress induced by the stress field at the crack tip, and the volume generated at that time is increased. The expansion suppresses the progress of cracks, so that higher strength and toughness are exhibited as compared with other ceramics such as alumina and SiC.

しかしながら、TZPおよびPSZは、100〜300℃程度の低
温度域において、準安定な正方晶がより安定な単斜晶に
転移して、その際の体積膨脹により強度の低下、崩壊な
どを生ずることがある。この強度低下は、焼結体中の準
安定な正方晶から単斜晶への相転移量が多い程大きく、
また、相転移は、焼結体の表面から発生すると報告され
ている。
However, in TZP and PSZ, metastable tetragonal crystals are transformed into more stable monoclinic crystals in a low temperature range of about 100 to 300 ° C, and the strength decreases and collapse occurs due to volume expansion at that time. There is. This decrease in strength increases as the amount of phase transition from metastable tetragonal to monoclinic in the sintered body increases,
It is also reported that the phase transition occurs from the surface of the sintered body.

従来この様な低温度域でのTZPおよびPSZの性能劣化を
防止するために、安定化剤を多量含む原料粉末を使用し
たり、Al2O3との複合材としたり、CeOを添加するなどの
工夫がなされている。この様な改善手法により、単斜晶
への相転移が抑制されて、低温度域での安定性は改善さ
れているが、他の新たな問題が生じている。例えば、安
定化剤の使用量が増加すると、応力誘起変態に寄与する
筈の正方晶の割合が減少する。また、Al2O3により複合
材を形成する場合およびCeOを添加する場合には、応力
誘起変態に寄与する筈の正方晶粒子がAl2O3粒子や立方
晶粒子に拘束されるので、高強度且つ高靭性というTZP
およびPSZ本来の特性が損なわれてしまう。
Conventionally, in order to prevent the performance degradation of TZP and PSZ in such a low temperature range, use a raw material powder containing a large amount of a stabilizer, use a composite material with Al 2 O 3 , add CeO, etc. Has been devised. By such an improvement method, the phase transition to the monoclinic system is suppressed, and the stability in the low temperature range is improved, but another new problem has arisen. For example, as the amount of stabilizer used increases, the proportion of tetragonal crystals that should contribute to stress-induced transformation decreases. In addition, when a composite material is formed from Al 2 O 3 and when CeO is added, tetragonal particles that should contribute to stress-induced transformation are restricted by Al 2 O 3 particles and cubic particles, so TZP with high strength and high toughness
And the original characteristics of PSZ are impaired.

従って、強度および靭性などの機械的特性と100〜300
℃の低温度域での熱安定性とを兼ね備えたジルコニア焼
結体の出現が切望されている。
Therefore, mechanical properties such as strength and toughness and 100-300
The appearance of a zirconia sintered body having both thermal stability in a low temperature range of ° C. has been desired.

問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如き従来技術の問題点に鑑みて鋭
意研究を重ねた結果、TZPおよびPSZの表面部分に低温度
域において劣化を生じない正方晶および立方晶からなる
保護層を形成させる場合には、従来技術の問題点が実質
的に解消乃至大幅に軽減されることを見出した。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies in view of the problems of the prior art as described above, and as a result, have found that tetragonal crystals and cubic crystals that do not cause deterioration in the surface portions of TZP and PSZ in a low temperature range. It has been found that, when a protective layer made of a crystal is formed, the problems of the prior art are substantially eliminated or greatly reduced.

すなわち、本発明は、下記のジルコニア焼結体および
その製造方法を提供するものである。
That is, the present invention provides the following zirconia sintered body and a method for producing the same.

Y2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少なくとも一
種を含む正方晶ジルコニア焼結体または部分安定化ジル
コニア焼結体であって、厚さ0.1〜1000μmの表面層部
分が、内層部分における濃度よりも高く且つ最大固溶量
以下のY2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少なくとも
一種を含むことを特徴とするジルコニア焼結体。
Y 2 O 3 , MgO, CaO and a tetragonal zirconia sintered body or a partially stabilized zirconia sintered body containing at least one of rare earth oxides, wherein the surface layer portion having a thickness of 0.1 to 1000 μm has a concentration in the inner layer portion. A zirconia sintered body characterized by containing at least one of Y 2 O 3 , MgO, CaO and a rare earth oxide which is higher than the maximum solid solution amount.

Y2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少なくとも一
種を含むジルコニア材料の未焼成成形体の表面に、Y、
Mg、Caおよび希土類元素ならびにこれら元素の化合物の
少なくとも一種を含む溶液もしくは分散液を塗布した
後、1300〜1800℃で焼成することを特徴とするジルコニ
ア焼結体の製造方法。
Y 2 O 3 , MgO, CaO and at least one of the rare earth oxides, the surface of the green compact of zirconia material containing Y,
A method for producing a zirconia sintered body, which comprises applying a solution or a dispersion containing at least one of Mg, Ca, a rare earth element, and a compound of these elements, followed by firing at 1300 to 1800 ° C.

本発明で使用するジルコニア原料自体は、通常のTZP
およびPSZの製造において使用されている公知のものと
何ら変わりなく、Y2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の
少なくとも一種を安定変剤として含むBET法による比表
面積5〜30m2/g程度、結晶子径150〜400nm程度のものを
使用する。安定化剤の配合割合も、公知の材料の場合と
特に変わらず、例えば、Y2O3を使用する場合には、ジル
コニア重量の3〜7%程度である。
The zirconia raw material used in the present invention is a normal TZP
And the same as known ones used in the production of PSZ, the specific surface area of about 5 to 30 m 2 / g by the BET method containing at least one of Y 2 O 3 , MgO, CaO and a rare earth oxide as a stabilizing agent The one having a crystallite diameter of about 150 to 400 nm is used. The mixing ratio of the stabilizer is not particularly different from that of the known material. For example, when Y 2 O 3 is used, it is about 3 to 7% of the weight of zirconia.

本発明のジルコニア焼結体は、通常以下の様にして製
造される。先ず、Y2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の
少なくとも一種を含むジルコニア材料を成形する。成形
は、常法に従って行えば良く、例えば、ジルコニア材料
粉末に結合剤(例えば、PVA)、滑剤(例えば、ステア
リン酸)、分散剤(例えば、ポリアクリル酸)などを諸
定量(例えば、0.5〜3%程度)添加し、スプレードラ
イヤーにより造粒した顆粒を金型またはゴム型に充填
し、加圧成型を行なう乾式プレス成形法などにより、0.
5〜3.0t/cm2程度の圧力で行えば良い。なお、成形体表
面の平滑度を高めるために、必要に応じて、表面仕上げ
を行っても良い。
The zirconia sintered body of the present invention is usually manufactured as follows. First, a zirconia material containing at least one of Y 2 O 3 , MgO, CaO and a rare earth oxide is formed. The molding may be performed according to a conventional method. For example, a binder (for example, PVA), a lubricant (for example, stearic acid), a dispersant (for example, polyacrylic acid) and the like are added to the zirconia material powder in various amounts (for example, 0.5 to 0.5). About 3%), and the granules granulated by a spray drier are filled into a mold or a rubber mold, and are subjected to pressure molding by a dry press molding method or the like.
It may be performed at a pressure of about 5 to 3.0 t / cm 2 . In order to increase the smoothness of the surface of the molded product, surface finishing may be performed as necessary.

次いで、得られた生成形体の表面に、焼成によりY
2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少なくとも一種を
構成する元素および化合物の少なくとも一種を含む溶液
もしくは分散液を塗布する。これらの元素とその化合物
を例示すれば、以下の通りである。
Next, the surface of the obtained green body is calcined to form Y
A solution or a dispersion containing at least one of elements and compounds constituting at least one of 2 O 3 , MgO, CaO and rare earth oxide is applied. Examples of these elements and their compounds are as follows.

*Y2O3源…塩化イットリウム、硝酸イットリウム、有機
イットリウム(例えば、イットリウムアセチルアセトネ
ートなど)、イットリアゾルなど。
* Y 2 O 3 source: yttrium chloride, yttrium nitrate, organic yttrium (for example, yttrium acetylacetonate, etc.), yttria sol, etc.

*MgO源…塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、有機
マグネシウム(例えば、マグネシウムアセチルアセトネ
ートなど)、マグネシアゾルなどなど。
* MgO source: magnesium chloride, magnesium nitrate, organomagnesium (eg, magnesium acetylacetonate, etc.), magnesia sol, etc.

*CaO源…塩化カルシウム、硝酸カルシウム、有機カル
シウム(例えば、カルシウムアセチルアセトネートな
ど)、カルシアゾルなど。
* CaO source: calcium chloride, calcium nitrate, organic calcium (eg, calcium acetylacetonate, etc.), calcia sol, etc.

*希土類酸化物源…La以下の各希土類元素の塩化物、硝
酸塩、有機金属塩、酸化物ゾルなど。特に、希土類の場
合には、複数の元素を含有するモナザイト鉱などを酸に
溶融して、酸塩として使用しても良い。
* Rare earth oxide source: chloride, nitrate, organic metal salt, oxide sol, etc. of each rare earth element below La. In particular, in the case of rare earths, monazite ore containing a plurality of elements may be melted in an acid and used as an acid salt.

焼成によりY2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少な
くとも一種を構成する元素および化合物(以下特に必要
でないかぎり、Y2O3をもって代表させる)の溶液若しく
は分散液の濃度は、特に限定されるものではないが、通
常3〜8モル%(元素として)程度である。生成形体に
対する溶液乃至分散液の塗布量は、ジルコニアの安定
度、ジルコニア焼結体の表面に形成されるべき保護層の
厚さ、使用する化合物の種類などにより適宜決定される
が、保護層中のY2O3の濃度が、その内層部分中のY2O3
濃度よりも高く且つ最大固溶量以下となる様に留意する
必要がある。
The concentration of a solution or dispersion of an element and a compound constituting at least one of Y 2 O 3 , MgO, CaO and a rare earth oxide by calcination (hereinafter, represented by Y 2 O 3 unless otherwise required) is particularly limited. Although not particularly limited, it is usually about 3 to 8 mol% (as an element). The amount of the solution or dispersion applied to the green compact is appropriately determined depending on the stability of zirconia, the thickness of the protective layer to be formed on the surface of the zirconia sintered body, the type of compound used, and the like. the concentration of Y 2 O 3 is, it should be noted high and so as to be less than the maximum solid solution amount than the concentration of Y 2 O 3 that in the inner layer portion.

次いで、上記のY2O3溶液または分散液を付与された生
成形体は、必要ならば、乾燥された後、1300〜1800℃程
度の温度で焼成される。この際、生成形体の密度、空隙
率、含浸または塗布する液の濃度及び粘度などを調整す
ることにより、保護層の厚さ、保護層中のY2O3の濃度な
どを制御することができる。
Then, the above-mentioned Y 2 O 3 solution or green product granted the dispersion, if necessary, after being dried, is calcined at a temperature of about from 1,300 to 1,800 ° C.. At this time, the thickness of the protective layer, the concentration of Y 2 O 3 in the protective layer, and the like can be controlled by adjusting the density, the porosity, the concentration and the viscosity of the liquid to be impregnated or applied, and the like of the formed form. .

かくして得られる本発明のジルコニア焼結体において
は、保護層部分では、内部から外部に向けて安定化剤の
ZrO2の固溶量が増加していることを特徴としている。こ
のため、本発明のジルコニア焼結体では、100〜300℃程
度の低温領域においても実質的に正方晶から単斜晶への
相転移が生じないので、低温劣化現象が、抑制される。
In the zirconia sintered body of the present invention thus obtained, in the protective layer portion, the stabilizer is applied from the inside to the outside.
It is characterized in that the solid solution amount of ZrO 2 is increased. For this reason, in the zirconia sintered body of the present invention, a phase transition from tetragonal to monoclinic does not substantially occur even in a low temperature range of about 100 to 300 ° C., so that the low temperature deterioration phenomenon is suppressed.

発 明 の 効 果 本発明によれば、高強度および高靭性というジルコニ
ア焼結体本来の優れた特性を備えているとともに、低温
熱劣化を生じないジルコニア焼結体が得られる。
Effects of the Invention According to the present invention, a zirconia sintered body that has excellent strength and high toughness inherent in zirconia sintered bodies and does not cause low-temperature thermal degradation can be obtained.

また、本発明ジルコニア焼結体は、耐熱性にも優れて
いる。
Further, the zirconia sintered body of the present invention has excellent heat resistance.

さらに、本発明方法は、操作が簡単なので、実施が容
易である。
Furthermore, the method of the present invention is easy to implement because of its simple operation.

実 施 例 以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをよ
り一層明確にする。
EXAMPLES Examples are shown below to further clarify features of the present invention.

実施例1 下記の4種のジルコニア原料粉末を使用して、成形体
を得た。
Example 1 A molded product was obtained using the following four types of zirconia raw material powders.

原料粉末(イ): BET法による比表面積=30m2/g X線回折法による結晶子径=15nm Y2O3含有量=2.0モル% 原料粉末(ロ): BET法による比表面積=30m2/g X線回折法による結晶子径=15nm Y2O3含有量=3.0モル% 原料粉末(ハ): BET法による比表面積=10m2/g X線回折法による結晶子径=45nm Y2O3含有量=2.0モル% 原料粉末(ニ): BET法による比表面積=10m2/g X線回折法による結晶子径=45nm Y2O3含有量=3.0モル% これらの粉末原料を圧力1.0t/cm2で直径60mm×5mm、
密度2.8g/cm3に成形した後、その表面をSiCサンドペー
パーにより、表面粗さ(Rmax)10μm以下に仕上げた。
Raw material powder (a): Specific surface area by BET method = 30 m 2 / g Crystallite diameter by X-ray diffraction method = 15 nm Y 2 O 3 content = 2.0 mol% Raw material powder (b): Specific surface area by BET method = 30 m 2 / g Crystallite diameter by X-ray diffraction method = 15 nm Y 2 O 3 content = 3.0 mol% Raw material powder (c): Specific surface area by BET method = 10 m 2 / g Crystallite diameter by X-ray diffraction method = 45 nm Y 2 O 3 content = 2.0 mol% Raw material powder (d): Specific surface area by BET method = 10 m 2 / g Crystallite diameter by X-ray diffraction = 45 nm Y 2 O 3 content = 3.0 mol% 1.0 t / cm 2 in diameter 60 mm × 5 mm,
After molding to a density of 2.8 g / cm 3 , the surface was finished with a surface roughness (Rmax) of 10 μm or less using SiC sandpaper.

これらの成形体表面に、第1表に示す各種の安定化剤
を硝酸に溶解して得た溶液を0.008g/cm2(元素として)
の割合で塗布し、100℃で1時間乾燥した後、大気雰囲
気中1500℃で焼成した。
0.008 g / cm 2 (as an element) of a solution obtained by dissolving various stabilizers shown in Table 1 in nitric acid was applied to the surface of these compacts.
And dried at 100 ° C. for 1 hour, and then fired at 1500 ° C. in the air atmosphere.

得られたジルコニア焼結体を大気中および水中で200
℃に1000時間保持した後、JISR 1601に基く曲げ試験に
供して強度低下率を測定し、耐低温劣化性を評価した。
The obtained zirconia sintered body is exposed to air and water for 200 hours.
After holding at 1000C for 1000 hours, the specimen was subjected to a bending test based on JISR 1601 to measure the strength reduction rate and to evaluate the low-temperature deterioration resistance.

結果は、第1表に示す通りである。 The results are as shown in Table 1.

第1表に示す結果から、本発明によるジルコニア焼結
体が優れた耐低温劣化性を有していることが明らかであ
る。
From the results shown in Table 1, it is clear that the zirconia sintered body according to the present invention has excellent low-temperature deterioration resistance.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】Y2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少な
くとも一種を含む正方晶ジルコニア焼結体または部分安
定化ジルコニア焼結体であって、厚さ0.1〜1000μmの
表面層部分が、内層部分における濃度よりも高く且つ最
大固溶量以下のY2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少
なくとも一種を含むことを特徴とするジルコニア焼結
体。
1. A tetragonal zirconia sintered body or a partially stabilized zirconia sintered body containing at least one of Y 2 O 3 , MgO, CaO and a rare earth oxide, wherein a surface layer portion having a thickness of 0.1 to 1000 μm is provided. A zirconia sintered body characterized by containing at least one of Y 2 O 3 , MgO, CaO and a rare earth oxide having a concentration higher than the concentration in the inner layer portion and not more than the maximum solid solution amount.
【請求項2】Y2O3、MgO、CaOおよび希土類酸化物の少な
くとも一種を含むジルコニア材料の未焼成成形体の表面
に、Y,Mg、Caおよび希土類元素ならびにこれら元素の化
合物の少なくとも一種を含む溶液もしくは分散液を塗布
した後、1300〜1800℃で焼成することを特徴とするジル
コニア焼結体の製造方法。
2. The surface of a green body of a zirconia material containing at least one of Y 2 O 3 , MgO, CaO and a rare earth oxide is coated with at least one of Y, Mg, Ca, a rare earth element and a compound of these elements. A method for producing a zirconia sintered body, which comprises applying a solution or a dispersion containing the mixture and firing at 1300 to 1800 ° C.
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