JP3010236B2 - 強度の高い黒色系ジルコニア焼結体およびその製造方法 - Google Patents

強度の高い黒色系ジルコニア焼結体およびその製造方法

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JP3010236B2 JP2234344A JP23434490A JP3010236B2 JP 3010236 B2 JP3010236 B2 JP 3010236B2 JP 2234344 A JP2234344 A JP 2234344A JP 23434490 A JP23434490 A JP 23434490A JP 3010236 B2 JP3010236 B2 JP 3010236B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はカラージルコニアセラミックスに関し、特
に、黒に近い暗色系で低温焼結性の高強度ジルコニアセ
ラミックスに関するものである。
〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕
ジルコニア焼結体、特に正方晶ジルコニア焼結体はそ
の高い強度と鏡面研磨後の表面光沢の美しさから刃物等
の家庭用品やゴルフシューズスパイク等のスポーツ用品
への応用が進んでいるが、時計ケースやアクセサリー等
の装飾部材への応用も広がりをみせている。こうした広
がる用途に対応するためには、各種のカラーを持ったカ
ラージルコニアが強く要望されている。特に時計などの
装飾性の高い製品の場合、黒や黒に近い色のカラーが高
級感を呈し好まれるが、こうしたカラーのジルコニアで
強度とカラーを同時に満足させる材料や方法は余り報告
されていない。通常、カラージルコニアの製造方法とし
ては、安定化したジルコニアに顔料(主に酸化物)を添
加混合して焼結する方法(特開昭59−105055)、安定化
剤とともに少量の着色剤(主に稀土類)を共沈法等で固
溶させる方法(特開昭62−59571)や、添加物を添加後
還元雰囲気下で焼成する方法(特開昭59−227770)等が
粉末の製造方法として知られている。
しかし、上記の着色顔料を混合する方法には、添加量
が比較的多いため焼結しにくく焼結体の特性、特に機械
的強度が低下するという大きな問題や、アルミナに較べ
て顔料が固溶しにくいため鮮明な色が出にくいといった
問題が残っている。また、少量の着色剤を共沈法で固溶
させる方法には、色の濃度が薄くカラージルコニアとし
ては色が不鮮明で用途が限定されるという欠点があっ
た。また、これら両方法は焼結性の面では特に改良され
た点はなく、顔料添加法にいたってはむしろ焼結性が低
下し強度も低下するという大きな問題点があった。従っ
て、顔料添加法では高温高圧焼結(HIP処理)が常用さ
れるなど焼結が容易ではなかった。また、雰囲気焼成法
には当然雰囲気炉でないと焼成出来ないという本質的制
限があった。
本発明の目的はかかる従来の着色ジルコニアの欠点を
解消するもので、特に黒色または黒色に近い暗色のカラ
ージルコニアを高強度で、かつ明瞭なカラーで得ること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、 (1)(a)ZrO2 98 〜67 モル%、 (b)安定化剤 1.5〜26 モル%、 (c)MnO4/3 0.3〜1.5モル%、 (d)Al2O3 0.1〜3.5モル%および (e)TiO2 0.1〜2.0モル%又は CoO、Cr2O3及びFe2O3からなる群から選
ばれた一種類以上の酸化物並びにTiO2 0.1〜2.0モル% からなることを特徴とする黒色系ジルコニア焼結体及び (2)安定化剤を含むジルコニア粉末に(イ)焼成後酸
化物となるMn化合物及び(ロ)Al2O3または焼成によりA
l2O3となるAl化合物及び(ハ)焼成により酸化物とな
るTi化合物又は焼成により酸化物となる、Co化合物、
Cr化合物及びFe化合物からなる群から選ばれた一種以上
の化合物並びに焼成により酸化物となるTi化合物を添加
後、成形、焼成することを特徴とする(1)記載の黒色
系ジルコニア焼結体の製造方法である。
本発明に係わるカラージルコニア焼結体は、安定化剤
と少量の着色剤(焼結助剤を兼ねる)及び発色助剤(粒
成長抑制剤を兼ねる)とを含むZrO2から成るもので、焼
結温度が比較的低く、色調が明瞭で機械的強度の低下の
ない黒色系暗色ジルコニア焼結体である。
着色剤(同時に焼結助剤)としては基本的にMn化合物
を用いるが、微妙な暗色、すなわち青味を帯びた黒や赤
味を帯びた黒、真っ黒などの色を出すためにはこの他に
Co化合物やCr化合物、Fe化合物及びTi化合物の中から一
種類以上の化合物を選んで添加する必要がある。また、
発色助剤及び粒成長抑制剤としてAl2O3またはAl化合物
が適量添加される。
添加する方法としては、安定化剤を含むジルコニア粉
末の分散液にこれら添加物の可溶性化合物、または良分
散性化合物を直接添加混合後、蒸発乾燥して目的粉末を
得る方法がある。この方法に用いる可溶性化合物として
は、酢酸塩、硝酸塩、塩化物、アルコキシド化合物など
が、また良分散性化合物としては炭酸塩、蓚酸塩、表面
処理された微粒酸化物粉末(粒子径がサブミクロンのも
の)及び水酸化物またはそのゾルなどが使用できる。
MnO4/3はMn3O4を表すが、添加化合物のモル数と一致
する1/3Mn3O4すなはちMnO4/3を便宜上1モルとしたこと
を意味する。
添加物の添加量は、目的とする色調により異なるが、
Mnを酸化物(MnO4/3)として0.3〜1.5モル%添加するこ
とにより黒褐色が得られるが、これに微妙な青味を出す
場合はCoやCrの化合物を酸化物としてそれぞれ0.1〜1.0
モル%(合計0.2〜2.0モル%)添加する。その際、Coや
Crの発色助剤並びにZrO2の粒成長抑制剤としてAl2O3
どのAl化合物を着色剤と同量(同モル%)程度添加す
る。Al化合物を添加しなくても目的とする発色が得られ
る場合は多いが、着色剤が合計1モル%を越えてくると
粒成長が激しくなる傾向があるため、その抑制剤として
Al2O3またはAl化合物を添加することが望ましい。ま
た、CoやCrの酸化物はAl2O3と明瞭な色を持つスピネル
化合物を作り易いので、こうした場合には発色助剤とし
ての働きもする。
着色剤として添加するMn,Co,Cr,Fe化合物にはZrO2
焼結助剤としての働きがあるので(特開昭60−23935
6)、小量の添加でもZrO2の焼結温度を下げる効果があ
る。しかし、着色という目的に対しては単独での添加で
は発色に制限があるので、これらを複合的に添加したり
焼結助剤としての必要量以上に添加する必要が生じてく
る。そのような場合に粒成長抑制剤としてAl2O3やAl化
合物が必要である。
本発明において着色剤の含有量を、安定化剤を含むZr
O2に対してMnO4/3の場合0.3〜1.5モル%に限定した理由
は、MnO3/4が0.3モル%未満では着色の効果が得難く、
また、1.5モル%を越えても着色の効果が変化せず、か
えって焼結体特性に悪影響がでるためである。同様にAl
2O3を除く他の着色剤の添加量を0.1〜2.0モル%に限定
した理由は、MnO4/3単独では出せない色を出すための最
低必要量が0.1モル%であり、最大必要量が合計2モル
%である。これを越える添加は、焼結体特性に悪影響を
与えるためである。
安定化剤としては、得られる黒色系ジルコニア焼結体
が高強度を必要とする場合には、Y2O3が添加量としては
1.5モル%〜4.0モル%、次いでCeO2(10モル%〜16モル
%)が好ましいが、高強度を余り必要としない場合には
Ca化合物(焼成後CaOとなるもの:8〜12モル%)やMg化
合物(焼成後MaGとなるもの:16〜26モル%)も安定化剤
として使用できる。安定化剤は共沈法などにより前もっ
てZrO2に添加しておくことが望ましい。
本発明に於ける黒色系ジルコニアの焼結温度は、粉末
の比表面積や成形圧力により異なるが、通常比表面積6m
2の粉末では、成形圧が静水圧2t/cm2の場合で1300〜140
0℃で、比表面積15m2の粉末で1200〜1300℃の焼結温度
で理論密度の98%以上の焼結体が得られる。この焼結温
度は通常市販されているジルコニア粉末(比表面積10〜
15m2)の焼結温度(1450〜1500℃)に比べて200〜300℃
低い温度である。また、得られる黒色系ジルコニア焼結
体の曲げ強度は、JIS規格の3点曲げ法で比較した場
合、市販されているジルコニア焼結体(Y2O3含量3モル
%品)と同等かそれ以上の強度を示す。
〔実施例〕
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明す
る。
実施例 1 高強度の青味を帯びた黒色系ジルコニア焼結体を製造
するに際し、比表面積が7m2でY2O3を約2モル%含有す
るZrO2粉末100g(0.815モル:96.9モル%)、酢酸Mn 3.0
9g(0.0126モル:1.5モル%)、酢酸Co 0.63g(0.0025モ
ル:0.3モル%)、Cr2O3 0.38g(0.0025モル:0.3モル
%)及びAl2O3 0.85g(0.0084モル:1.0モル%)をエタ
ノールとともにジルコニアボールを用いて24時間ボール
ミル混合後、スラリーを乾燥して原料粉末を得た。この
粉末を静水圧2t/cm2でプレス成形して得た成形体を1350
℃で3時間焼成して青味を帯びた黒色系ジルコニア焼結
体を得た。得られた焼結体の密度と曲げ強度(JIS規格
3点曲げ試験)、KIC値(ビッカースインデンテーショ
ン法)は表1に示したように高い値が得られた。
実施例 2 比表面積が15m2の粉末でY2O3含有量が約2モル%のZr
O2粉末100g(0.8115モル:98.0モル%)炭酸Mn 0.67g
(0.0058モル:0.7モル%)、Cr2O3 0.38g(0.0025モル:
0.3モル%)及びAl2O3 0.84g(0.0083モル:1.0モル%)
を実施例1と同様にミリング、乾燥して得た原料粉末を
同様に成形し1250℃3時間焼成してやや赤みを帯びた黒
色ZrO2焼結体を得た。この得られた焼結体の密度と機械
的特性を表1に示した。
実施例 3 Y2O3を2モル%含有する比表面積15m2のジルコニア粉
末100g(0.8115モル:97.5モル%)と炭酸Mn 0.29g(0.0
025モル:0.3モル%)、酢酸Co 0.62g(0.0025モル:0.3
モル%)、Cr2O3 0.40g(0.0025モル:0.3モル%)、Fe2
O3 0.40g(0.0025モル:0.3モル%)、TiO2 0.20g(0.00
25モル:0.3モル%)、Al2O3 0.85g(0.0083モル:1.0モ
ル%)にエタノールを加えジルコニアボールで24時間ボ
ールミルした後、スラリーを蒸発乾固して原料粉末を得
た。得られた粉末を実施例1と同様に成形し、1200℃で
3時間焼成して真黒に近い黒色ジルコニア焼結体を得
た。得られた焼結体の特性を表1に示した。
比較例 1(Mnの添加量が多く、またAl2O3を含まない
場合:クラックが入る) Y2O3を2モル%含有する市販のジルコニア粉末(比表
面積15m2)100g(0.8115モル:97モル%)に色材として
炭酸Mn 1.92g(0.0167モル:2.0モル%)と酢酸Co 2.09g
(0.0084モル:1.0モル%)を加えジルコニアボールで24
時間ボールミルした後、スラリーを蒸発乾固して原料粉
末を得た。得られた粉末を実施例1と同様の方法で成形
し1200℃で焼結した。得られた焼結体の色は青味を帯び
た黒色となったが表面にクラックが入り、低い強度しか
得られなかった。結果を表1に示した。
比較例 2(必須原料のMn化合物が含まれない場合の
例:色が黒くなりにくい) Y2O3を2モル%含有するZrO2粉末(比表面積6m2)100
g(0.8115モル%:97.8モル%)にCr2O3 0.38g(0.0025
モル:0.3モル%)、酢酸Co 0.62g(0.0025モル:0.3モル
%)、Fe2O3 0.40g(0.0025モル:0.3モル%)、TiO2 0.
20g(0.0025モル:0.3モル%)及びAl2O3 0.85g(0.0083
モル:1.0モル%)を加えてエタノールを用いてジルコニ
アボールでミリング後、110℃で減圧乾燥した。得られ
た粉末を実施例1と同様に成形し、1350℃で3時間焼成
した。得られた焼結体の色は黒ではなく、青に近い暗い
色となった。
得られた焼結体の特性を表1に示した。
〔本発明の効果〕 本発明により高い強度を必要とするジルコニア製品の
中で、着色が必要かあるいは不可欠な用途に対し黒色系
部材については、種々の色調を有する黒色ジルコニアが
得られるため、その実用化の幅が広くなった。従って、
時計やアクセサリーなどの宝飾部材やスポーツシューズ
用スパイクや釣竿の糸道などのスポーツ用品、またスパ
イクタイヤ用スパイクや包丁・ナイフなどの家庭用品な
どカラーが応用の幅を決める用途の拡大が期待される。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−265565(JP,A) 特開 平3−265566(JP,A) 特開 平3−37272(JP,A) 特開 平2−38363(JP,A) 特開 昭63−195166(JP,A) 特開 昭62−59571(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/42 - 35/49 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)ZrO2 98 〜67 モル%、 (b)安定化剤 1.5〜26 モル%、 (c)MnO4/3 0.3〜1.5モル%、 (d)Al2O3 0.1〜3.5モル%および (e)TiO2 0.1〜2.0モル%又は CoO、Cr2O3及びFe2O3からなる群から選ばれた一種類
    以上の酸化物並びにTiO2 0.1〜2.0モル% からなることを特徴とする黒色系ジルコニア焼結体。
  2. 【請求項2】安定化剤を含むジルコニア粉末に(イ)焼
    成後酸化物となるMn化合物及び (ロ)Al2O3または焼成によりAl2O3となるAl化合物及び (ハ)焼成により酸化物となるTi化合物又は 焼成により酸化物となる、Co化合物、Cr化合物及びFe
    化合物からなる群から選ばれた一種以上の化合物並びに
    焼成により酸化物となるTi化合物を添加後、成形、焼成
    することを特徴とする請求項(1)記載の黒色系ジルコ
    ニア焼結体の製造方法。
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