JP5094009B2 - Zirconium oxide sintered body - Google Patents
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Description
本発明は、特に薄膜磁気ヘッドの素材を支持しながら加工、洗浄および乾燥する支持用治具、あるいは作製された磁気ヘッドを支持しながら洗浄する支持用治具として用いられる半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体に関する。 The present invention particularly relates to a semiconducting zirconium oxide used as a support jig for processing, cleaning and drying while supporting a material of a thin film magnetic head, or as a support jig for cleaning while supporting a manufactured magnetic head. Relates to a sintered material.
近年、ハードディスクドライブの急速な高記録密度化の要求により薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。この薄膜磁気ヘッドには、書込用の電磁変換素子や再生用の磁気抵抗効果素子が搭載されたものが用いられており、高記録密度化には、磁気ヘッドの低浮上化が不可欠である。最近では、磁気ヘッドの浮上量(磁気ヘッドに搭載された電磁変換素子や磁気抵抗効果素子と、記録媒体である磁気ディスクとの隙間)が数十nmになってきている。 In recent years, there has been a demand for improved performance of thin film magnetic heads due to the demand for rapid increase in recording density of hard disk drives. This thin film magnetic head uses an electromagnetic conversion element for writing and a magnetoresistive effect element for reproduction. In order to increase the recording density, it is indispensable to lower the flying height of the magnetic head. . Recently, the flying height of the magnetic head (the gap between the electromagnetic transducer and magnetoresistive element mounted on the magnetic head and the magnetic disk as a recording medium) has become several tens of nm.
かかる薄膜磁気ヘッドは一般的に次のように作製されている。Al2O3−TiC系セラミックス等からなるセラミック基板を短冊状に加工し、この短冊状のセラミック基板を支持用治具に固定し洗浄後、アモルファスアルミナから成る絶縁膜をスパッタリング法により成膜し、この絶縁膜上に書込用の電磁変換素子や再生用の磁気抵抗効果を用いたMR(Magnetro Resistive)素子、GMR(Giant Magnetro Resistive)素子、TMR(Tunnel Magnetro Resistive)素子等が搭載される。これらの素子が搭載された短冊状のセラミック基板をチップ形状に加工し、分割したチップ状のセラミックスを支持用治具に入れ洗浄・乾燥する。その後、このチップ状のセラミックスが記録媒体と対向する対向面を研磨して、イオンミリング加工や反応性イオンエッチングにて溝加工した後、洗浄を施しABS(エア・ベアリング・サーフェイス)面を形成して薄膜磁気ヘッドが作製されている。 Such a thin film magnetic head is generally manufactured as follows. A ceramic substrate made of Al 2 O 3 —TiC ceramics or the like is processed into a strip shape, this strip-shaped ceramic substrate is fixed to a supporting jig, washed, and then an insulating film made of amorphous alumina is formed by sputtering. On the insulating film, an electromagnetic conversion element for writing, an MR (Magnetro Resistive) element using a magnetoresistive effect for reproduction, a GMR (Giant Magnetro Resistive) element, a TMR (Tunnel Magnetro Resistive) element, etc. are mounted. . A strip-shaped ceramic substrate on which these elements are mounted is processed into a chip shape, and the divided chip-shaped ceramic is placed in a supporting jig and washed and dried. After that, this chip-shaped ceramic grinds the facing surface facing the recording medium, grooves are formed by ion milling or reactive ion etching, and then washed to form an ABS (air bearing surface) surface. Thus, a thin film magnetic head is manufactured.
これらの薄膜磁気ヘッドの作製の過程において、セラミック基板にパーティクル(微粒子状の異物)が付着していると電磁変換素子や磁気抵抗効果素子の形成を阻害するという問題や、数十nmという極めて高精度な溝加工ができなくなるという問題や、さらには磁気ヘッドと記録媒体である磁気ディスクとの隙間にパーティクルが入り込み磁気記録装置が誤動作を起こすという問題が発生する。 In the process of manufacturing these thin-film magnetic heads, if particles (fine particles) adhere to the ceramic substrate, the formation of electromagnetic transducers and magnetoresistive elements is obstructed, and the extremely high tens of nanometers. There arises a problem that accurate grooving cannot be performed, and further a problem that particles enter into a gap between the magnetic head and the magnetic disk as a recording medium to cause the magnetic recording apparatus to malfunction.
このパーティクルには、大気中に浮遊するパーティクルや、磁気ヘッドを作製するために用いる加工装置や支持用治具に付着しているパーティクル、さらには磁気ヘッドを加工するときに発生する加工粉からなるパーティクルや、セラミック基板加工のために支持用治具への固定に用いる接着剤の残渣が微粒子状となって残るパーティクルなどがある。 These particles consist of particles floating in the atmosphere, particles adhering to a processing apparatus and supporting jig used for manufacturing a magnetic head, and processing powder generated when processing the magnetic head. There are particles and particles in which the residue of the adhesive used for fixing to the supporting jig for processing the ceramic substrate remains in the form of fine particles.
したがって、磁気ヘッドの素材加工に用いる支持用治具および作製された磁気ヘッドの支持に用いる支持用治具は、パーティクルが付着しにくいことが必要である。そのため、支持用治具の材料には半導電性が要求される。この要求に対し、機械的特性が良好で、破壊靱性値が大きく欠けや割れに強い酸化ジルコニウムに導電性物質を所定量含有させた半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体が用いられている。このような半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体を用いると支持用治具に静電気が発生しないのでクーロン力によってパーティクルが付着することがなく、この支持用治具と接触する磁気ヘッドの素材加工および作製された磁気ヘッドへのパーティクルの転写による付着がなくなる。 Therefore, the supporting jig used for processing the material of the magnetic head and the supporting jig used for supporting the manufactured magnetic head must be less likely to adhere particles. Therefore, the material for the supporting jig is required to be semiconductive. In response to this requirement, a semiconductive zirconium oxide sintered body is used in which a predetermined amount of a conductive material is contained in zirconium oxide which has good mechanical properties, a large fracture toughness value and is resistant to chipping and cracking. When such a semiconductive zirconium oxide sintered body is used, no static electricity is generated in the supporting jig, so that particles do not adhere due to Coulomb force, and the material processing of the magnetic head that comes into contact with the supporting jig In addition, adhesion due to transfer of particles to the manufactured magnetic head is eliminated.
また、磁気ヘッドは、作製する過程および磁気記録装置への搭載前には洗浄によりパーティクルを十分に除去することが必要である。洗浄用溶液として酸性水溶液とアルカリ性水溶液とを用いた洗浄が行なわれることから、支持用治具は、これらの水溶液に曝された場合に腐食されてパーティクルが発生しにくいことが必要である。この点において、半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体は、耐食性に優れた酸化ジルコニウムセラミックスを基体としていることから支持用治具の材料として好適である。なお、パーティクルのうち、金属やその化合物からなるものは主に酸性水溶液、例えば塩酸やフッ化水素などを含む水溶液で除去し、タンパク質などの有機物は水酸化ナトリウムなどを含むアルカリ性水溶液で除去している。
そして、半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体に関しては次のような特許文献がある。
In addition, the magnetic head needs to sufficiently remove particles by washing before it is manufactured and mounted on the magnetic recording apparatus. Since cleaning using an acidic aqueous solution and an alkaline aqueous solution is performed as the cleaning solution, the supporting jig needs to be corroded and hardly generate particles when exposed to these aqueous solutions. In this respect, the semiconductive zirconium oxide sintered body is suitable as a material for the supporting jig because it is based on zirconium oxide ceramics having excellent corrosion resistance. Of the particles, those made of metal or a compound thereof are mainly removed with an acidic aqueous solution, for example, an aqueous solution containing hydrochloric acid or hydrogen fluoride, and organic substances such as proteins are removed with an alkaline aqueous solution containing sodium hydroxide. Yes.
And there are the following patent documents concerning the semiconductive zirconium oxide sintered body.
特許文献1には、安定化剤を含むZrO2を60〜80重量%と、導電性付与剤としてZnOを20〜40重量%とを少なくとも含有し、体積固有抵抗値が105〜1010Ω・cm(103〜108Ω・m)である酸化ジルコニウム質焼結体が記載されている。
特許文献2には、安定化剤を含むZrO2を主成分とし、副成分としてZnとAlを含有する焼結体であって、この焼結体中には上記ZnとAlの反応生成物であるZnAl2O4を有し、かつ上記焼結体の体積固有抵抗値が103〜107Ω・mである半導電性酸化ジルコニウム質焼結体が記載されている。
特許文献3には、酸化ジスプロシウムおよび酸化セリウムの安定化剤を含む酸化ジルコニウムを60〜90重量%と、導電性付与剤として、Fe,Znの酸化物のうち一種以上を10〜40重量%の範囲で含有し、体積固有抵抗値が103〜107Ω・mで、かつボイド占有面積率が1.5%以下である半導電性酸化ジルコニウム質焼結体が記載されている。
しかしながら、特許文献1〜3に開示された半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体は、洗浄用溶液である酸性水溶液やアルカリ性水溶液に対し耐食性を有する酸化ジルコニウムセラミックスを基体として用い、これに相安定化および半導電性を発現させる作用を有する元素と酸化亜鉛を添加している。これらの酸化ジルコニウム質焼結体を支持用治具に用いて磁気ヘッドを酸性水溶液やアルカリ性水溶液で洗浄すると、酸化亜鉛が洗浄液中に多量に溶出し、溶出した酸化亜鉛が多数のパーティクルとなって、磁気ヘッド自体に付着し、または支持用治具に付着したパーティクルが磁気ヘッドに転写して、この磁気ヘッドと磁気ディスクとの間にパーティクルが入り込み、これを搭載した磁気記録装置が誤動作を起こすという問題があった。
However, the semiconductive zirconium oxide sintered bodies disclosed in
また、酸化亜鉛が洗浄液中に多量に溶出することによって、酸化ジルコニウム質焼結体の表面近傍から酸化亜鉛がなくなるので体積固有抵抗値が大きくなり、その結果、半導電性のない酸化ジルコニウム質焼結体となる。このような半導電性のない酸化ジルコニウム質焼結体からなる支持用治具には、例えば大気中に浮遊しているパーティクルがクーロン力によって多量に付着するため、付着したパーティクルが磁気ヘッドに転写し、この磁気ヘッドを用いた磁気記録装置が誤動作を起こすという問題があった。 In addition, when zinc oxide is eluted in a large amount in the cleaning liquid, zinc oxide disappears from the vicinity of the surface of the zirconium oxide sintered body, so that the volume resistivity value is increased. Become a unity. For example, a large amount of particles floating in the atmosphere adhere to the supporting jig made of a zirconium oxide sintered body having no semiconductivity due to the Coulomb force, so that the adhered particles are transferred to the magnetic head. However, the magnetic recording apparatus using this magnetic head has a problem of causing malfunction.
これらの問題が発生する原因は、特許文献1〜3に示された酸化ジルコニウム質焼結体は、表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも高いからであると考えられる。
The reason why these problems occur is considered that the zirconium oxide sintered bodies disclosed in
その一方で、特許文献1〜3に示された酸化ジルコニウム質焼結体は、焼成後に、その表面近傍に酸化亜鉛が全く存在しない場合もあり、この場合は、体積固有抵抗値の大きい絶縁性の酸化ジルコニウム質焼結体となる。このような絶縁性の酸化ジルコニウム質焼結体を支持用治具として用いると、クーロン力によってパーティクルが付着し、同様に磁気記録装置が誤動作を起こすという問題があった。ここで、焼成後の表面近傍に酸化亜鉛が全く存在しないのは、焼成中に酸化亜鉛が表面近傍から分解・蒸発し、放出されてしまうからであると考えられる。
On the other hand, the zirconium oxide sintered bodies shown in
上記問題点に鑑み、本発明は、半導電性と実用上十分な機械的特性とを有し、酸性水溶液やアルカリ性水溶液で洗浄した場合に焼結体から発生するパーティクル量が少なく、これらの洗浄を行なった後でも十分な半導電性を保持している酸化ジルコニウム質焼結体を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention has semiconductivity and practically sufficient mechanical properties, and the amount of particles generated from the sintered body when washed with an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution is small. An object of the present invention is to provide a zirconium oxide sintered body that retains sufficient semiconductivity even after the above.
本発明の酸化ジルコニウム質焼結体は、金属元素として少なくともZrと、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種と、Znとを含有する酸化物からなり、前記ZrをZrO2換算で52〜89質量%、前記Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種をそれぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1〜12質量%、前記ZnをZnO換算で10〜40質量%含有する酸化ジルコニウム質焼結体において、酸化ジルコニウム質結晶の間に酸化亜鉛質粒界層が連続して存在しており、前記酸化亜鉛質粒界層は、焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mmまでの範囲におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも
低いことを特徴とする。
The zirconium oxide sintered body of the present invention comprises an oxide containing at least Zr as a metal element, at least one of Y, Ce and Dy, and Zn, and the Zr is 52 to 89 in terms of
また、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体は、上記構成において、前記焼結体の内部におけるZnの濃度を1としたとき、前記焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mmま
での範囲におけるZnの濃度の比が0.8以上であることを特徴とする。
In addition, the zirconium oxide sintered body of the present invention has a depth of 0.1 mm from the surface of the sintered body to the inside when the Zn concentration in the sintered body is 1 in the above configuration.
The ratio of the Zn concentration in the range is 0.8 or more.
金属元素として少なくともZrと、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種と、Znとを含有する酸化物からなり、前記ZrをZrO2換算で52〜89質量%、前記Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種をそれぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1〜12質量%、前記ZnをZnO換算で10〜40質量%含有する酸化ジルコニウム質焼結体において、酸化ジルコニウム質結晶の間に酸化亜鉛質粒界層が連続して存在しており、前記酸化亜鉛質粒界層が、焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mmまでの範囲にお
けるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも低い本発明の酸化ジルコニウム質焼結体は、次のような作用効果を奏する。
It consists of an oxide containing at least Zr, at least one of Y, Ce, and Dy as a metal element and Zn, and the Zr is 52 to 89% by mass in terms of ZrO 2 , of the Y, Ce, and Dy In a zirconium oxide sintered body containing at least one of Y 12 O 3 , CeO 2 and Dy 2 O 3 in terms of total amount of 1 to 12% by mass and Zn of 10 to 40% by mass in terms of ZnO, A zinc oxide grain boundary layer is continuously present between the crystals, and the zinc oxide grain boundary layer has a depth of 0.1 mm from the surface of the sintered body to the inside. The zirconium oxide sintered body of the present invention in which the Zn concentration is lower than the Zn concentration in the interior exhibits the following effects.
すなわち、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種を含有することによって、Zrの結晶相を安定させる相安定化の作用から実用上十分な機械的特性を有し、また、Znの酸化物からなる結晶に固溶して半導電性を発現させるというもう一つの作用からZnをZnO換算で10〜40質量%含有することによって、酸化ジルコニウム質結晶の間に半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層を連続して存在させることができるので半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体とすることができる。
また、焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mmまでの範囲におけるZnの濃度が
内部におけるZnの濃度よりも低い酸化ジルコニウム質焼結体とすることによって、格子欠陥が少なく化学的に安定なことから酸性水溶液やアルカリ性水溶液で焼結体を洗浄した場合に、焼結体から発生するパーティクル量を少なくできる。また、焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mmまでの範囲から酸化亜鉛を含む半導電性の結晶が僅かに溶出し
ても、酸化ジルコニウム質焼結体の内部から焼結体の表面から内部方向への深さが0.1m
mまでの範囲に渡って酸化亜鉛質粒界層が連続して存在しているため表面抵抗率が低下しないので、酸性水溶液やアルカリ性水溶液で洗浄した後でも、十分な半導電性を有する酸化ジルコニウム質焼結体とすることができる。
That is, by containing at least one of Y, Ce and Dy, it has practically sufficient mechanical properties from the effect of phase stabilization that stabilizes the crystal phase of Zr, and is composed of an oxide of Zn. Zinc oxide grain boundary layer having semiconductivity between zirconium oxide crystals by containing Zn in an amount of 10 to 40% by mass in terms of ZnO due to another effect of solid solution in crystals to exhibit semiconductivity. Therefore, a semiconductive zirconium oxide sintered body can be obtained.
In addition, by using a zirconium oxide sintered body in which the Zn concentration in the range from the surface of the sintered body to the depth of 0.1 mm to the inside is lower than the Zn concentration in the interior, there are few lattice defects and chemical Therefore, when the sintered body is washed with an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution, the amount of particles generated from the sintered body can be reduced. In addition, even if the semiconductive crystals containing zinc oxide are slightly eluted from the range of the depth from the surface of the sintered body to the inside of 0.1 mm, the sintered body is sintered from the inside of the zirconium oxide sintered body. Depth from the surface to the inside is 0.1m
Zirconium oxide having sufficient semiconductivity even after washing with an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution because the surface resistivity does not decrease because the zinc oxide grain boundary layer exists continuously over a range up to m. It can be a sintered body.
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は本発明の酸化ジルコニウム質焼結体の結晶の構成の例を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a crystal configuration of a zirconium oxide sintered body of the present invention.
この酸化ジルコニウム質焼結体1は、酸化ジルコニウム質結晶2の間に、半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3が存在する構成であり、酸化亜鉛質粒界層3は酸化ジルコニウム質結晶2の間に連続して存在する酸化亜鉛質粒界層3aと非連続(独立)で存在する酸化亜鉛質粒界層3bとからなる。
This zirconium oxide sintered
酸化ジルコニウム質焼結体1は、金属元素として少なくともZrと、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種と、Znとを含有する酸化物からなり、ZrをZrO2換算で52〜89質量%、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種をそれぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1〜12質量%、ZnをZnO換算で10〜40質量%含有する構成であり、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種は、Zrの酸化物からなる結晶に固溶して酸化ジルコニウム質結晶2の結晶相を安定させる作用およびZnの酸化物からなる結晶に固溶し酸化亜鉛質粒界層3に半導電性を発現させる作用を奏し、Znは、ZnO換算で10〜40質量%含有することにより酸化ジルコニウム質結晶2の間に連続して存在する酸化亜鉛質粒界層3を形成でき、半導電性の経路とすることができる。
Zirconium oxide sintered
なお、ここでいう酸化ジルコニウム質結晶2、酸化亜鉛質粒界層3,3a,3bとは、酸化ジルコニウムおよび酸化亜鉛にY,CeおよびDyのうち少なくとも1種が固溶した結晶であり、微量の不可避不純物を含んだものであっても良い。
The
本発明者は、実用上十分な機械的特性を有し、酸性水溶液やアルカリ性水溶液で洗浄した場合に酸化ジルコニウム質焼結体1から発生するパーティクル量を少なくでき、これら
の洗浄を行なった後でも十分な半導電性を有する酸化ジルコニウム質焼結体1が得られるよう、種々の検討を重ねた結果、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種の元素を酸化ジルコニウム質結晶2および酸化亜鉛質粒界層3に含有させるとともに、酸化ジルコニウム質焼結体1の表面から内部方向への深さが0.1mmまでの範囲(以下表面近傍と言う。)におけるZnの濃度を内部におけるZnの濃度よりも低くすることによって、前述の目的を達成する酸化ジルコニウム質焼結体1を提供できることを突き止めた。
The inventor has practically sufficient mechanical properties, can reduce the amount of particles generated from the zirconium oxide sintered
つまり、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1は、金属元素として少なくともZrと、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種と、Znとを含有する酸化物からなり、ZrをZrO2換算で52〜89質量%、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種をそれぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1〜12質量%、ZnをZnO換算で10〜40質量%含有する酸化ジルコニウム質焼結体1において、酸化ジルコニウム質結晶2の間に酸化亜鉛質粒界層3aが連続して存在しており、酸化亜鉛質粒界層3aは、焼結体の表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも低いことを特徴とするものである。
That is, the zirconium oxide sintered
本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1は、ZrをZrO2換算で52〜89質量%含有させることによって、酸化ジルコニウム質結晶2が酸化ジルコニウム質焼結体1中の主結晶となっている。また、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種を、それぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1〜12質量%含有させると、主結晶に固溶して結晶相を安定させ、正方晶酸化ジルコニウム質結晶と立方晶酸化ジルコニウム質結晶との含有割合を合計で主結晶の95体積%以上とすることができるので、破壊靱性値が大きく、酸性水溶液やアルカリ性水溶液に対する耐溶解性に優れる。よって、実用上特に十分な機械的特性を有し、酸性水溶液やアルカリ性水溶液による洗浄を行なっても焼結体から発生するパーティクル量が少ない酸化ジルコニウム質焼結体1とすることができる。
The zirconium oxide-based
ここで、正方晶酸化ジルコニウム質結晶および立方晶酸化ジルコニウム質結晶の破壊靱性値が大きいのは、応力誘起相変態強化機構(焼結体の破壊の原因となる亀裂の伝播を正方晶または立方晶から単斜晶への相変態によって阻害し、亀裂先端への応力集中を緩和する機構)が働くことによるものである。また、正方晶酸化ジルコニウム質結晶や立方晶酸化ジルコニウム質結晶が酸性水溶液やアルカリ性水溶液に曝されたときに発生するパーティクルが少ないのは、正方晶酸化ジルコニウム質結晶や立方晶酸化ジルコニウム質結晶は、これらの結晶の結晶格子が酸性水溶液に多く含まれるH+イオンやアルカリ性水溶液に多く含まれるOH−イオンに曝されても化学的に安定であるからと推察される。 Here, the fracture toughness value of the tetragonal zirconium oxide crystal and the cubic zirconium oxide crystal is large because the stress-induced phase transformation strengthening mechanism (the propagation of cracks causing fracture of the sintered body is a tetragonal or cubic crystal). This is due to the action of a mechanism that hinders stress concentration at the crack tip by inhibiting the phase transformation from to to monoclinic. In addition, tetragonal zirconium oxide crystals and cubic zirconium oxide crystals are less likely to be generated when exposed to acidic aqueous solutions or alkaline aqueous solutions. It is presumed that the crystal lattice of these crystals is chemically stable even when exposed to H + ions contained in an acidic aqueous solution and OH − ions contained in an alkaline aqueous solution.
Zrの含有量がZrO2換算で52質量%未満では、酸化ジルコニウム質結晶2を主結晶とすることが困難となるので、機械的特性が悪い焼結体となる。Zrの含有量がZrO2換算で89質量%を超えると、半導電性を有する結晶の含有量が少なくなるために、酸化ジルコニウム質結晶2の間に半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3を連続して形成させることができないので、体積固有抵抗値の大きい焼結体となる。
If the content of Zr is less than 52% by mass in terms of ZrO 2 , it is difficult to make the
さらに、ZnをZnO換算で10〜40質量%含有し、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種を、それぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1〜12質量%含有させることによって、酸化亜鉛の結晶にY,CeおよびDyのうち少なくとも1種が固溶して半導電性を発現させた酸化亜鉛質粒界層3を連続して存在させることができるので、体積固有抵抗値が1〜106Ω・mの半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体1とすることができる。
Further, Zn is contained in an amount of 10 to 40% by mass in terms of ZnO, and at least one of Y, Ce and Dy is contained in an amount of 1 to 12% by mass in terms of Y 2 O 3 , CeO 2 and Dy 2 O 3 respectively. Accordingly, since the zinc oxide
ZnがZnO換算で10質量%未満では、酸化ジルコニウム質結晶2の間に、半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3を連続して形成できないので酸化ジルコニウム質焼結体1の体積固有抵抗値が106Ω・mを超え半導電性がなくなり、静電気を逃がすことができなくなり、40質量%を超えると、酸化亜鉛は破壊靱性値が小さいので、酸化ジルコニウム質焼結体1の機械的特性が悪くなるとともに、体積固有抵抗値が1Ω・m未満となるので静電気が一気に逃げ易くなるために、スパークなどによって電磁変換素子や磁気抵抗効果素子などを破壊する恐れがある。
When Zn is less than 10% by mass in terms of ZnO, the zinc oxide
また、相安定化および半導電性発現の作用を奏するY,CeおよびDyのうち少なくとも1種を、それぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1質量%未満の含有とすると、正方晶酸化ジルコニウム結晶と立方晶酸化ジルコニウム結晶の含有割合が合計で主結晶の95体積%未満となるので、破壊靱性値が小さくなり機械的特性が悪くなるとともに、酸性水溶液やアルカリ性水溶液による洗浄を行なった際に焼結体から発生するパーティクル量が多くなる。また、1質量%未満では、半導電性を発現させるに到らず、酸化亜鉛に固溶しても半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3を連続して形成させることができず、その結果、半導電性のない焼結体となってしまう。また、12質量%を超えると、酸化ジルコニウム質結晶2が安定するものの、量が多すぎるため酸化ジルコニウム質焼結体1の機械的特性が悪くなる。
In addition, if at least one of Y, Ce and Dy having the effects of phase stabilization and semiconductivity expression is contained in a total amount of less than 1% by mass in terms of Y 2 O 3 , CeO 2 and Dy 2 O 3 , respectively. Since the total content of tetragonal zirconium oxide crystals and cubic zirconium oxide crystals is less than 95% by volume of the main crystal, the fracture toughness value is reduced and the mechanical properties are deteriorated, and cleaning with an acidic aqueous solution or alkaline aqueous solution is performed. The amount of particles generated from the sintered body increases when performing the above. If the amount is less than 1% by mass, the semiconductivity is not exhibited, and the zinc oxide
そして、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の酸化亜鉛質粒界層3は、焼結体の表面近傍におけるZnの濃度を内部におけるZnの濃度よりも低くすることによって、酸化ジルコニウム質焼結体1を酸性水溶液やアルカリ性水溶液に曝して洗浄した際に、この酸化ジルコニウム質焼結体1から発生するパーティクル量を特に少なくできるとともに、洗浄後でも半導電性を保持することができる。
The zinc oxide-based
一般的に酸化ジルコニウム質焼結体は、焼成工程において、最高温度1250〜1400℃で保持して焼結させる際に表面近傍にある酸化亜鉛質粒界層から酸化亜鉛が分解し、Znガスと酸素ガスとなって蒸発する。この蒸発したZnガスと酸素ガスは降温の過程で反応して酸化亜鉛が生成され、この生成した酸化亜鉛は焼結体の表面に固着する。しかしながら、この生成した酸化亜鉛が焼結体の表面に多量に固着すると、焼結体の表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも高くなる。焼結体の表面に、この生成した酸化亜鉛が積み重なった構成の結晶は、格子欠陥が多く、互いに強固に焼結していないため、化学的に不安定で、酸性水溶液やアルカリ性水溶液に曝されると溶出して、パーティクルが多く発生しやすい。 In general, a zirconium oxide sintered body is decomposed from a zinc oxide grain boundary layer in the vicinity of the surface when sintered at a maximum temperature of 1250 to 1400 ° C. in the firing step, and Zn gas and oxygen It evaporates as a gas. The evaporated Zn gas and oxygen gas react with each other in the temperature lowering process to generate zinc oxide, and the generated zinc oxide adheres to the surface of the sintered body. However, when a large amount of the generated zinc oxide adheres to the surface of the sintered body, the Zn concentration near the surface of the sintered body becomes higher than the Zn concentration inside. Crystals with a structure in which the generated zinc oxide is stacked on the surface of the sintered body are chemically unstable because they have many lattice defects and are not strongly sintered with each other, and are exposed to acidic and alkaline aqueous solutions. Then, it elutes and many particles are likely to be generated.
また、分解・蒸発は成形体の周囲の気流の流れが早いほど促進され、気流の流れが早いと、この生成した酸化亜鉛が焼結体の表面に固着せず、半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層を連続して形成できなくなるので体積固有抵抗値が大きくなり、その結果、半導電性のない酸化ジルコニウム質焼結体となる。 Decomposition / evaporation is accelerated as the flow of air around the molded body increases, and when the flow of air flows quickly, the generated zinc oxide does not adhere to the surface of the sintered body and has semiconductivity. Since the grain boundary layer cannot be continuously formed, the volume resistivity value is increased, and as a result, a zirconium oxide sintered body having no semiconductivity is obtained.
したがって、半導電性を有し、格子欠陥を極めて少なく、化学的に安定な酸化ジルコニウム質焼結体1とするには、焼成工程において、焼成炉内に流す気体の流量および酸素分圧を特定の範囲とし、酸化亜鉛の分解・蒸発反応を抑制するために成形体を遮蔽用治具に収め、最高温度1250〜1400℃で焼成することが必要である。
Therefore, in order to obtain a chemically stable zirconium oxide sintered
このようにして得られた酸化ジルコニウム質焼結体1は、表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも低く、半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3が内部から表面近傍まで連続して存在する酸化亜鉛質粒界層3aを形成し、酸化亜鉛質粒界層3aが半導電性を有することによって、酸化ジルコニウム質焼結体1が半導電性を有するものとなる。また、酸化亜鉛質粒界層3を構成する結晶は、内部から表面近傍まで全体に渡って格子欠陥が少なく、また互いに強固に焼結しているため、内部から表面近傍まで全体に渡って化学的に安定であり、酸性水溶液やアルカリ性水溶液に曝されても溶出しにくく、パーティクルの発生が少ない。
The zirconium oxide sintered
また、好ましくは、酸化ジルコニウム質焼結体1の内部のZnの濃度を1としたとき、表面近傍のZnの濃度の比を0.8以上とする。これによって、酸化亜鉛質粒界層3を構成する多数の結晶が互いに強固に焼結しているものとなるので、格子欠陥が極めて少ないものとなる。そのため、高濃度の酸性水溶液やアルカリ性水溶液および長時間の洗浄に対し、パーティクルの発生が少ない良好な耐食性を示し、かつ洗浄後においても十分な半導電性を保持することができる。また、表面近傍より半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3の溶出が少ないことから、支持用治具に求められる特性を長期間維持することができるので繰り返し使用可能となる。これらの原因は明らかではないが、次のような理由によるものと考えられる。
Preferably, when the concentration of Zn in the zirconium oxide sintered
酸性水溶液やアルカリ性水溶液に曝されたときに、酸化亜鉛質粒界層3を溶出しにくくするには、酸化亜鉛質粒界層3を構成する結晶の格子欠陥を極めて少なくすることが必要である。ここでいう格子欠陥とは結晶格子中の酸素欠陥や結晶格子の界面に形成される線欠陥などの格子欠陥をいう。このような格子欠陥は電気化学的に不安定なので、外部からの電気化学的な作用、例えば高濃度の酸性水溶液中でのH+イオンやアルカリ性水溶液中でのOH−イオンに曝すと、格子欠陥に隣接する原子がこれらのイオンと電気化学的に結合して溶液中に放出され易い。この電気化学的な反応は、酸化亜鉛質粒界層3の表面から内部へ連鎖して起こり、結果として表面近傍から酸化亜鉛質粒界層3がパーティクルとなって溶出しやすくなる。この電気化学的な反応を抑制するには、酸化亜鉛質粒界層3の格子欠陥を極めて少なくすることが必要である。格子欠陥が極めて少なければ、この電気化学的な反応が抑制されてパーティクルの発生が少なくなる。ここで、酸化亜鉛質粒界層3を構成する結晶同士が強固に焼結していれば、酸化亜鉛質粒界層3を構成する結晶間の残留応力が少なく、また、結晶格子が規則的に配列されやすいので、結晶格子中の酸素欠陥や結晶格子の界面に形成される線欠陥などの格子欠陥を極めて少なくすることができる。
In order to make it difficult to elute the zinc oxide
なお、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の表面近傍とは、具体的には焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mm程度までの範囲をいい、内部とは焼結体の表面から深さ0.1mm程度を超えた内部をいう。ここで、焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mm程度までの範囲を表面近傍とするのは、次のような理由による。
Note that the vicinity of the surface of the zirconium oxide sintered
酸化ジルコニウム質焼結体1を長期間、例えば数ヶ月間、強酸性溶液や強アルカリ性溶液に曝した場合には、酸化ジルコニウム質焼結体1は焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mm程度まで腐食され、その後は腐食速度が徐々に低下すると考えられる。ここでいう腐食とは、酸化ジルコニウム質結晶2の間にある酸化亜鉛質粒界層3のみならず酸化ジルコニウム質結晶2が焼結体の表面から溶出したり、脱粒したりすることをいう。この腐食の原因は学術的に明確ではないが、一般に初期の腐食速度(mm/年)の対数が焼結体の標準生成自由エネルギー(kJ/mol)に反比例すると考えられ、この標準生成自由エネルギーから推察すると、酸化ジルコニウム質焼結体1の場合には数ヶ月間、酸性溶液やアルカリ性溶液に曝すと、腐食の初期に深さ0.1mm程度まで腐食され、その後は腐食の進行が遅くなる。
When the zirconium oxide sintered
したがって、焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mm程度までの範囲の結晶は内部よりも耐食性が劣ると考えられるため、酸性水溶液やアルカリ性水溶液に長期間曝した場合に、焼結体の表面から内部方向への深さが0.1mm程度までの範囲の結晶が溶出したり、脱粒したりするおそれがあるので、この範囲にある結晶の耐食性が高いことが重要であるからである。
次に、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の分析方法について説明する。
Therefore, since crystals with a depth of about 0.1 mm from the surface of the sintered body to the inside direction are considered to be inferior to the inside in terms of corrosion resistance, sintering will occur when exposed to acidic aqueous solutions or alkaline aqueous solutions for a long time. This is because it is important that the crystals in this range have a high corrosion resistance because the crystals in the range from the surface of the body to the inner depth of about 0.1 mm may elute or shed. .
Next, a method for analyzing the zirconium oxide sintered
本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の組成は、ICP発光分光分析法により定量的に測定することができる。例えば、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1がZr,Y,Znを含む場合にはこれらの元素の含有量をICP発光分光分析法により測定し、それらをZrO2,Y2O3,ZnOに換算する。
The composition of the zirconium oxide sintered
本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の破壊靱性値を測定するには、例えばJIS R 1607(1995年)に記載されたIF法により測定する。酸化ジルコニウム質焼結体1を算術平均高さRa0.1μm以下に鏡面研磨し、ダイヤモンド製の圧こん端子を鏡面部に押し込み、これによって生じた圧こんおよび亀裂を観察し、次式により破壊靱性値Kc(Pa・m1/2)を求める。
In order to measure the fracture toughness value of the zirconium oxide sintered
Kc=(0.026E1/2P1/2α)/C3/2
ここで、Eは弾性率(Pa)、Pは圧こん端子の押し込み荷重(N)、αは圧こんの対角線長さの平均の半分(m)、Cはクラック(亀裂)の長さの平均の半分(m)である。
Kc = (0.026E 1/2 P 1/2 α) / C 3/2
Where E is the elastic modulus (Pa), P is the indentation load (N) of the indentation terminal, α is half the average diagonal length of the indentation (m), and C is the average length of cracks (cracks). Half (m).
弾性率E(Pa)は次のようにJIS R 1602(1995年)に記載された超音波パルス法により測定することができる。試験片は、10mm角以上の角柱または直径10mm以上の円柱を準備し、この試料に超音波を印加し、次式によって求めることができる。 The elastic modulus E (Pa) can be measured by the ultrasonic pulse method described in JIS R 1602 (1995) as follows. The test piece can be obtained by the following formula by preparing a prism having a 10 mm square or more or a cylinder having a diameter of 10 mm or more, applying an ultrasonic wave to the sample.
E=ρ(3Vt 2Vl 2−4Vt 4)/(Vl 2−Vt 2)
ここで、ρはかさ密度(kg/m3)、Vlは縦波の速度(m/s)、Vtは横波の速度(m/s)である。
E = ρ (3V t 2 V l 2 -4V t 4) / (V l 2 -V t 2)
Here, ρ is the bulk density (kg / m 3 ), V 1 is the longitudinal wave velocity (m / s), and V t is the transverse wave velocity (m / s).
本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の曲げ強度を測定するには、例えばJIS R 1601(1995年)に準拠して次のように測定することができる。
In order to measure the bending strength of the zirconium oxide sintered
酸化ジルコニウム質焼結体1を加工し、算術平均高さRa0.2μm以下に研磨して厚さ3mm、幅4mm、長さ36mmの大きさとし、さらに0.1〜0.3mmのC面を付けた試験片を10個以上作製する。荷重試験機を用いてこの試験片に荷重を印加し、破壊するまでの最大荷重を測定し、次式により曲げ強度を算出する。
A test piece obtained by processing the zirconium oxide sintered
3点曲げ強度σ3(N/mm2)=3PL/2wt2
4点曲げ強度σ4(N/mm2)=3P(L−l)/2wt2
ここで、Pは試験片が破壊したときの最大荷重(N)、Lは下部支点間距離(mm)、lは上部荷重点間距離(mm)、wは試験片の幅(mm)、tは試験片の厚さ(mm)である。
3-point bending strength σ 3 (N / mm 2 ) = 3PL / 2 wt 2
4-point bending strength σ 4 (N / mm 2 ) = 3P (L−1) / 2 wt 2
Here, P is the maximum load (N) when the test piece breaks, L is the distance between the lower fulcrums (mm), l is the distance between the upper load points (mm), w is the width of the test piece (mm), t Is the thickness (mm) of the test piece.
本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の内部および表面近傍のZnの濃度は、例えば以下の通り測定する。酸化ジルコニウム質焼結体1を表面から0.5mm研磨した焼結体の内部と表面近傍とを走査型電子顕微鏡(SEM)の観察画面で、測定する分析エリア面を特定し、測定する分析エリア面への電子線の照射により発生する特性X線の波長を波長分散型X線マイクロアナライザー(WDS)にて検出してZn元素強度を測定する。この時の測定条件は、加速電圧15kV程度、プローブ電流10−7A程度、分析エリア面の面積103〜108μm2程度とし、Zn元素強度の測定は、各々について少なくとも5箇所以上を測定し、平均して求める。この焼結体の内部および表面近傍それぞれの波長分散型X線マイクロアナライザー(WDS)によるZn元素強度を比較することにより表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも低いことを確認することができる。また、内部におけるZnの濃度を1としたとき、表面近傍におけるZnの濃度の比は、表面近傍におけるZn元素強度を内部におけるZn元素強度で割ることにより求めることができる。さらに、その他の測定方法としては、透過型電子顕微鏡(TEM)およびエネルギー分散型X線マイクロアナライザー(EDS)にてZn元素強度を測定する方法や原子間力顕微鏡を用いた測定方法がある。
The concentration of Zn inside and near the surface of the zirconium oxide sintered
表面抵抗および体積固有抵抗は、例えばJIS C 2141(1992年)に準拠して次の通り測定する。まず、直径50mm、厚みが約2mmの円板形状の本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1を準備し、マイクロメータを用いて3箇所の厚みを測定し、厚みの平均値dを求める。この酸化ジルコニウム質焼結体1の一方の主面中央に直径D1が約26mmとなるようAg電極ペーストを印刷し中央電極とし、中央電極の外周から約6mmの距離を開け、内周径D2が約38mm、外周径D3が約48mmとなるようにAg電極ペーストを印刷し、外周電極とする。さらに、他方の主面全体にAg電極ペーストを印刷し裏面電極とする。その後、これらのAg電極を焼き付けて試験片を作製する。この試験片の直径D1,D2をノギスで正確に測定し、試験片を120℃で2時間以上乾燥した後、デシケータ内で冷却し、さらに20℃、湿度65%の室内に16時間以上放置した後、高絶縁抵抗計を用いて表面抵抗および体積固有抵抗を次のように測定する。
The surface resistance and the volume resistivity are measured as follows in accordance with, for example, JIS C 2141 (1992). First, a disc-shaped zirconium oxide sintered
表面抵抗Rs(Ω)は、表面抵抗測定回路を中央電極が−側、外周電極が+側、裏面電極がガードとなるように回路を接続して測定する。また、体積固有抵抗Rv(Ω)は、体積固有抵抗回路を中央電極が−側、裏面電極が+側、外周電極がガードとなるように回路を接続して測定する。こうして測定した表面抵抗Rs、体積固有抵抗Rvを用いて、表面抵抗率、体積固有抵抗値を次式により計算する。なお、次式ではD1,D2,dの単位をmに換算してから計算する。 The surface resistance Rs (Ω) is measured by connecting the circuit so that the center electrode is on the negative side, the outer peripheral electrode is on the positive side, and the back electrode is a guard. The volume resistivity Rv (Ω) is measured by connecting the circuit so that the center electrode is on the negative side, the back electrode is on the positive side, and the outer peripheral electrode is a guard. Using the surface resistance Rs and the volume resistivity Rv thus measured, the surface resistivity and the volume resistivity are calculated by the following equations. In the following equation, the units of D 1 , D 2 , and d are calculated after being converted to m.
表面抵抗率ρs(Ω)=π(D1+D2)Rs/(D2−D1) (πは円周率)
体積固有抵抗値ρv(Ω・m)=π(D1+D2)2Rv/16d (πは円周率)
なお、この測定方法においては、直径50mmの試料を例に説明したが、直径が20mm以上の円板状または一辺が20mm以上の四角形であれば、例えばD1を10mm、D2を16mm、D3を19mmとするなど、D1、D2、D3の値を適宜所定の値とすることにより表面抵抗率、体積固有抵抗値を測定することもできる。
Surface resistivity ρs (Ω) = π (D 1 + D 2 ) Rs / (D 2 −D 1 ) (π is a circular rate)
Volume resistivity ρv (Ω · m) = π (D 1 + D 2 ) 2 Rv / 16d (π is the circumference)
In this measurement method, a sample having a diameter of 50 mm is described as an example. However, if the sample has a disk shape with a diameter of 20 mm or more or a square with a side of 20 mm or more, for example, D 1 is 10 mm, D 2 is 16 mm, D The surface resistivity and volume resistivity can also be measured by appropriately setting the values of D 1 , D 2 , and D 3 to predetermined values, such as 3 being 19 mm.
パーティクル発生量は例えば次のように測定する。酸化ジルコニウム質焼結体1を酸性水溶液の入った硝子容器に入れ、その状態で超音波洗浄機(Cleansonic製BRANSON DHA−1000)にて1分間の洗浄を行なう。その後、硝子容器から焼結体を取出して、超音波洗浄によって酸性水溶液中に放出されたパーティクル数(個)をパーティクルカウンター(リオン株式会社製KL−26)により測定する。この測定により求められたパーティクル数と、焼結体の表面積とを用いて、焼結体の表面積1cm2当たりから放出されたパーティクル数を求め、これをパーティクル発生量(個/cm2)とする。なお、パーティクルカウンターKL−26を用いた場合には、パーティクルの個数は、粒径0.1μm以上〜0.3μm未満、0.3μm以上〜0.5μm未満、0.5μm以上のそれぞれの粒径のパーティクル発生量(個/cm2)を求めることができる。
For example, the particle generation amount is measured as follows. Zirconium oxide sintered
次に、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の製造方法について説明する。
Next, the manufacturing method of the zirconium oxide sintered
酸化ジルコニウム質焼結体1の製造方法は、酸化ジルコニウム(ZrO2)粉末と、酸化イットリウム(Y2O3),酸化セリウム(CeO2)および酸化ジスプロシウム(Dy2O3)のうち少なくとも1種の粉末と、酸化亜鉛(ZnO)粉末とを混合した混合粉末、または、Y,CeおよびDyのうち少なくとも一種が固溶した酸化ジルコニウム質粉末と、酸化亜鉛粉末とを混合した混合粉末のいずれかを作製する混合粉末作製工程と、このいずれかの混合粉末を所定の形状に成形して成形体を得る成形工程と、得られた成形体を大気雰囲気で焼成する焼成工程とを含む。このとき、金属元素として少なくともZrと、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種と、Znとを含有する酸化物からなり、ZrをZrO2換算で52〜89質量%、Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種をそれぞれY2O3,CeO2およびDy2O3換算合計で1〜12質量%、ZnをZnO換算で10〜40質量%となるよう混合粉末を作製し、この混合粉末を所定の形状に成形し、焼成工程において、遮蔽用治具内に成形体を収めて、焼成炉内の酸素分圧を0.01〜1MPa、焼成炉内に流す気体の流量を0.1〜1Nm3/分として焼成することにより、酸化ジルコニウム質結晶2の間に酸化亜鉛質粒界層3が連続して存在し、この酸化亜鉛質粒界層3中のZnの濃度について、焼結体の表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも低い酸化ジルコニウム質焼結体1を製造することができる。
The manufacturing method of the zirconium oxide sintered
具体的には、本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1の製造方法は次の通りである。
Specifically, the manufacturing method of the zirconium oxide sintered
(1)平均粒径1μm以下の高純度酸化ジルコニウム(ZrO2)粉末と、酸化イットリウム(Y2O3)粉末と、酸化セリウム(CeO2)粉末と、酸化ジスプロシウム(Dy2O3)粉末と、酸化亜鉛(ZnO)粉末とを準備し、ZrO2粉末を52〜89質量%と、Y2O3粉末,CeO2粉末およびDy2O3粉末のうち少なくとも一種または合計で1〜12質量%と、ZnO粉末を10〜40質量%となるよう均一に混合して混合粉末を作製する。ここで、Y,Ce,Dyのうち少なくとも一種が固溶した酸化ジルコニウム質粉末と、酸化亜鉛粉末とを混合した混合粉末を用いても良い。この酸化ジルコニウム質粉末は、公知の方法、例えば、Haberko K., Res. Int. Htes Temp. et Riefract+14, 217-224.に記載された共沈法、Mazdiyasni K. S., J Am. Ceram. Soc., 48[7], 372-375.に記載されたアルコキシド法、Woodhead J. L., Science of Ceramics, 10, 169-176.に記載されたゾル−ゲル法、Reyen P, Advance in Ceramics, 3, 464-475.に記載された水熱分解法、Yoshimura M., Proceeding 5th Round Table Conference on Sintering, September 1981.に記載された水熱酸化法により作製することができる。 (1) High-purity zirconium oxide (ZrO 2 ) powder having an average particle size of 1 μm or less, yttrium oxide (Y 2 O 3 ) powder, cerium oxide (CeO 2 ) powder, dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ) powder, And zinc oxide (ZnO) powder, ZrO 2 powder is 52 to 89% by mass, and at least one of Y 2 O 3 powder, CeO 2 powder and Dy 2 O 3 powder or 1 to 12% by mass in total And ZnO powder is mixed uniformly so that it may become 10-40 mass%, and mixed powder is produced. Here, a mixed powder obtained by mixing a zirconium oxide powder in which at least one of Y, Ce, and Dy is dissolved and a zinc oxide powder may be used. This zirconium oxide powder is obtained by a known method, for example, a coprecipitation method described in Haberko K., Res. Int. Htes Temp. Et Riefract + 14, 217-224. , 48 [7], 372-375., Sol-gel method described in Woodhead JL, Science of Ceramics, 10, 169-176., Reyen P, Advance in Ceramics, 3, 464. -475., Hydrothermal decomposition method described in Yoshimura M., Proceeding 5th Round Table Conference on Sintering, September 1981.
(2)(1)のいずれかの混合粉末を所定の形状に成形して成形体を作製する。この成形工程は公知の方法、例えば、混合粉末に、ポリビニルアルコール(PVA)などの有機バインダーを添加し、混合・造粒した後、金型に充填し圧力を加える粉末加圧成形法を用いることができる。 (2) The mixed powder of any one of (1) is molded into a predetermined shape to produce a molded body. This molding step uses a known method, for example, a powder pressure molding method in which an organic binder such as polyvinyl alcohol (PVA) is added to mixed powder, mixed and granulated, and then filled into a mold and pressure is applied. Can do.
(3)得られた成形体を最高温度1250〜1400℃で保持して焼結させる。この焼結の際に、成形体の周囲に流れる気体を遮蔽するための遮蔽用治具に成形体を収めて遮蔽し、焼成炉内の酸素分圧を0.01〜1MPa、焼成炉内に流す気体の流量を0.1〜1Nm3/分として焼成することが重要である。 (3) The obtained molded body is sintered at a maximum temperature of 1250 to 1400 ° C. During this sintering, the compact is placed in a shielding jig for shielding the gas flowing around the compact and shielded, and the oxygen partial pressure in the firing furnace is 0.01 to 1 MPa, and the gas flows into the firing furnace. It is important to fire at a flow rate of 0.1 to 1 Nm 3 / min.
ここで、図2に本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1を得るための遮蔽用治具に成形体を収めた状態の例を示す。(a)は遮蔽用治具に成形体を収め一部を破断した状態を示す斜視図であり、(b)は(a)のA−A’線における断面図である。なお、これらにおいて同じ部位を示す場合は同符号を付してある。
Here, FIG. 2 shows an example of a state in which the molded body is housed in a shielding jig for obtaining the zirconium oxide sintered
遮蔽用治具26は、下部板22aと側面板24と上部板22bとから構成されており、下部板22a上に複数の成形体20を並べて載置し、側面板24と上部板22bとで囲ってある。このとき、下部板22a、側面板24、上部板22bは互いに接しているので遮蔽用治具26内にはその外から気体が流れ込みにくい構成にしてある。遮蔽用治具26の材質は、焼成中の成形体20と遮蔽用治具26との化学反応を抑制するため、融点が1600℃以上のアルミナ質焼結体、酸化マグネシウム質焼結体が好適である。また、成形体を収めることができるのであれば、側面板24と上部板22b、側面板24と下部板22aは一体製作されたものを用いることも可能である。
The shielding
酸化ジルコニウム質焼結体1は、焼成時の最高温度1250〜1400℃での保持中に焼結体の表面近傍からZnOが分解してZnガスおよび酸素ガスが蒸発し始めるが、このような遮蔽用治具26を用いて、焼成炉内の酸素分圧を0.01〜1MPaとし、焼成炉内に流す気体の流量を0.1〜1Nm3/分として成形体20を焼成すると、遮蔽用治具26内にその外からの気体が流れ込みにくく、最高温度での保持中に、焼結体の表面近傍から多量にZnOが分解してZnガスがおよび酸素ガスが蒸発することが抑制され、酸化ジルコニウム質結晶2の間に半導電性の酸化亜鉛質粒界層3が内部から表面近傍まで連続した酸化ジルコニウム質焼結体1を作製することができる。このとき、遮蔽用治具26に収めずに、例えば下部板22a上に成形体20を並べたのみで焼成すると、焼結体の表面近傍から多量にZnOが分解してZnガスがおよび酸素ガスが蒸発し、半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3が表面近傍からなくなるので体積固有抵抗値が大きくなり、その結果、半導電性でない酸化ジルコニウム質焼結体1となってしまう。
In the zirconium oxide sintered
この理由は、焼成中に起こる酸化亜鉛の分解・蒸発は成形体20の周囲の気流の流れが速い程促進されるため、成形体20を遮蔽用治具26に収めて焼成しないと、表面近傍にある酸化亜鉛質粒界層3から酸化亜鉛が多量に分解・蒸発して表面近傍から半導電性を有する酸化亜鉛質粒界層3がなくなり、得られる焼結体の体積固有抵抗値が大きくなって半導電性でない酸化ジルコニウム質焼結体1となるからと考えられる。
The reason for this is that the decomposition and evaporation of zinc oxide that occurs during firing is accelerated the faster the flow of air around the compact 20, so if the compact 20 is not fired in the shielding
また、焼成中の最高温度での焼成炉内の酸素分圧が0.01MPa未満の場合には、表面近傍に生成する酸化亜鉛質粒界層3から酸化亜鉛が多量に分解・蒸発するため表面近傍に酸化亜鉛質粒界層3がなくなり、その結果、得られる焼結体の体積固有抵抗値が大きくなって半導電性でない酸化ジルコニウム質焼結体1となってしまう。
In addition, when the oxygen partial pressure in the firing furnace at the highest temperature during firing is less than 0.01 MPa, zinc oxide is decomposed and evaporated in a large amount from the zinc oxide
他方、1MPaを超えると、最高温度での保持中に酸化亜鉛質粒界層3に半導電性発現の作用を奏するY,CeおよびDyが固溶しにくくなる。Y,CeおよびDyはいずれもZnO結晶に固溶し、その結果、明確にはわからないがZnOの結晶格子の酸素が無くなって生じる酸素欠陥の生成によりホール等の電荷を伝えるものが生じ、電気伝導が起こる。しかし、酸素分圧が1MPaを超えると、酸素欠損の生成が抑制されるため、ホール等の電荷を伝えるものが生じにくくなる。ホール等が生じにくいということは、Y,CeおよびDyがZnO結晶に固溶しにくいことにもつながると考えられる。そのため得られる焼結体の体積固有抵抗値が大きくなり、半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体1が得られない。
On the other hand, when it exceeds 1 MPa, Y, Ce, and Dy that exert the effect of semiconductivity in the zinc oxide
焼成炉内に流す気体の流量が0.1Nm3/分未満であると、酸素分圧が0.01MP以上0.05MPa未満と低い場合に、遮蔽用治具26内に酸素ガスが十分に供給されないために、遮蔽用治具26内の酸素分圧が0.01MPaよりも低くなるので、半導電性でなくなる。
If the flow rate of the gas flowing into the firing furnace is less than 0.1 Nm 3 / min, oxygen gas is not sufficiently supplied into the shielding
焼成炉内に流す気体の流量が1Nm3/分を超えると、焼成炉内を流れる気体の流速が非常に早くなり、下部板22aと側面板24の間から気体が多量に流入してしまう。その結果、遮蔽用治具26内の焼結体からZnガスが多量に蒸発し、焼結体の表面近傍からZnがなくなって、半導電性でなくなる。
When the flow rate of the gas flowing into the firing furnace exceeds 1 Nm 3 / min, the flow velocity of the gas flowing through the firing furnace becomes very fast, and a large amount of gas flows from between the
次に、最高温度で保持することにより酸化亜鉛質粒界層3を生成させた後で、焼成炉内の酸素分圧を0.01〜1MPaに保持しながら、1150℃まで徐々に降温する。この降温中に遮蔽用治具26内の気体が収縮するので、降温に伴って遮蔽用治具26の外から遮蔽用治具26内へ気体が徐々に流入するが、焼成炉内の酸素分圧が0.01〜1MPaであることにより、遮蔽用治具26内にあるZnガスが酸素ガスと反応して生成する酸化亜鉛が焼結体の表面に極微量固着する。さらに、この極微量固着した酸化亜鉛が表面近傍の酸化亜鉛質粒界層3と一体的に焼結し、連続した酸化亜鉛質粒界層3が内部から表面近傍まで形成されて半導電性の酸化ジルコニウム質焼結体1を得ることができる。このように形成された酸化亜鉛質粒界層3は格子欠陥が極めて少なく、互いに強固に焼結した酸化亜鉛質の結晶(連続した酸化亜鉛質粒界層3a)となる。
Next, after generating the zinc oxide
1150℃までの降温中の酸素分圧が0.01MPa未満の場合には、降温中も焼結体から酸化亜鉛が分解・蒸発するので、表面近傍から半導電性の結晶がなくなり、得られる酸化ジルコニウム質焼結体1は体積固有抵抗値の大きい半導電性でない焼結体となるので好ましくない。
When the oxygen partial pressure during temperature reduction to 1150 ° C is less than 0.01 MPa, zinc oxide decomposes and evaporates from the sintered body even during the temperature decrease, so that semiconductive crystals disappear from the surface and the resulting zirconium oxide The
また、1150℃までの降温中の酸素分圧が1MPaを超えると、降温を開始した直後に遮蔽用治具26内の空隙中のZnガスが酸素ガスと反応して酸化亜鉛が生成し、この生成した酸化亜鉛が結晶となって焼結体の表面に多量に固着するので、得られる酸化ジルコニウム質焼結体1は、表面近傍のZnの濃度が内部よりも高いものとなる。この焼結体を酸性水溶液やアルカリ性水溶液に曝すと、酸化亜鉛の結晶が焼結体の表面近傍から酸性水溶液やアルカリ性水溶液中に多量に溶出し、溶出した酸化亜鉛が再析出してパーティクルが多く発生するという問題がある。ここで、焼結体の表面に固着した酸化亜鉛の結晶が溶出しやすいのは、降温の際、焼結体の表面に生成した酸化亜鉛が多量に固着して積み重なった構成の結晶は、結晶格子の整合が非常に悪く、両者の間の格子欠陥が非常に多いため、両者の化学的な結合力が小さくなり、その結果、酸性水溶液やアルカリ性水溶液に対する耐食性が低下するからであると考えられる。
Further, when the oxygen partial pressure during the temperature decrease to 1150 ° C. exceeds 1 MPa, immediately after the temperature decrease starts, the Zn gas in the gap in the shielding
最後に、1150℃から室温まで冷却すると本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1を製造することができる。
Finally, when cooled from 1150 ° C. to room temperature, the zirconium oxide sintered
また、この製造方法において、酸素分圧の下限値を0.05MPaとすることにより、酸化ジルコニウム質焼結体1の内部におけるZnの濃度を1としたとき、表面近傍におけるZnの濃度との比が0.8以上である酸化ジルコニウム質焼結体1を製造することができる。これによって、表面抵抗の低下を抑制し、十分な半導電性を有する酸化ジルコニウム質焼結体1を得ることができる。この理由は、酸素分圧の下限値を0.05MPaとすることにより、表面近傍にある酸化亜鉛質粒界層3から分解・蒸発する酸化亜鉛の量が特に低減するからであると考えられる。
Further, in this manufacturing method, by setting the lower limit value of the oxygen partial pressure to 0.05 MPa, when the Zn concentration inside the zirconium oxide sintered
さらに、酸素分圧を0.05〜1MPaとし、焼成炉内に流す気体の流量を0.1〜1Nm3/分として焼成すると、焼成炉内の酸素分圧の時間的な変動を抑制できるので、得られる焼結体の内部におけるZnの濃度を1としたとき、表面近傍のZnの濃度の比が0.8以上の酸化ジルコニウム質焼結体1を製造することができる。
Furthermore, if the oxygen partial pressure is set to 0.05 to 1 MPa and the gas flow rate in the firing furnace is set to 0.1 to 1 Nm 3 / min, the temporal variation of the oxygen partial pressure in the firing furnace can be suppressed, so that the obtained firing When the Zn concentration in the bonded body is 1, the zirconium oxide sintered
なお、この製造方法において、焼成中に酸化亜鉛が蒸発することによって、混合粉末に含まれるZnの含有量よりも焼結体に含まれる酸化亜鉛の量が少なくなる場合があるので、この場合には焼成中の酸化亜鉛の分解・蒸発する量を混合粉末の作製工程で予め補填して製造することができる。 In this manufacturing method, since zinc oxide evaporates during firing, the amount of zinc oxide contained in the sintered body may be smaller than the content of Zn contained in the mixed powder. Can be produced by preliminarily compensating for the amount of zinc oxide decomposed and evaporated during firing in the mixed powder production process.
(1A)平均粒径0.3μmの高純度酸化ジルコニウム(ZrO2)粉末と、酸化イットリウム(Y2O3)粉末と、酸化セリウム(CeO2)粉末と、酸化ジスプロシウム(Dy2O3)粉末と、酸化亜鉛(ZnO)粉末とを準備し、これらの粉末を表1に示すようにZrO2が52〜89質量%、Y2O3、CeO2およびDy2O3のうち少なくとも1種または合計が1〜12質量%、ZnOが10〜40質量%となるよう混合して混合粉末を作製した。なお、表1の組成は焼結体の組成を示したものである。 (1A) High-purity zirconium oxide (ZrO 2 ) powder having an average particle size of 0.3 μm, yttrium oxide (Y 2 O 3 ) powder, cerium oxide (CeO 2 ) powder, and dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ) powder And zinc oxide (ZnO) powder, as shown in Table 1, ZrO 2 is 52 to 89% by mass, at least one of Y 2 O 3 , CeO 2 and Dy 2 O 3 or the total as shown in Table 1 Was mixed so as to be 1 to 12% by mass and ZnO was 10 to 40% by mass to prepare a mixed powder. In addition, the composition of Table 1 shows the composition of a sintered compact.
(2A)この混合粉末に有機バインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を混合粉末100質量部に対して4質量部添加し、混合し、造粒して成形用粉末を作製した。この成形用粉末を金型に充填し成形圧100MPaで加圧することにより所定の形状に成形した。 (2A) To this mixed powder, 4 parts by mass of polyvinyl alcohol (PVA) as an organic binder was added to 100 parts by mass of the mixed powder, mixed and granulated to prepare a molding powder. The molding powder was filled in a mold and pressed at a molding pressure of 100 MPa to form a predetermined shape.
(3A)遮蔽用治具26は、アルミナ製の下部板22a(160mm×160mm×7mm)、上部板22b(160mm×160mm×7mm)、側面板24(高さ130mm、外形160mm×160mm×厚み7mm)を準備し、上部板22bと側面板24は、両者の間に接合用ガラスペーストを塗布した後、1400℃に加熱することにより、上部板22bと側面板24とを接合したものを用いた。このような構成の遮蔽用治具26に成形体を収め、表1に示す酸素分圧および気体流量にて最高温度1250〜1400℃で焼成して本発明の酸化ジルコニウム質焼結体1を作製した。
(3A) The shielding
(4A)また、比較例として表1に示す試料No.1,15のように組成か焼成条件のいずれかが本発明の範囲外となる焼結体を作製した。 (4A) Moreover, sample No. shown in Table 1 as a comparative example. Thus, a sintered body in which either the composition or the firing condition was outside the scope of the present invention was prepared.
次に、これらを用いて評価を行なった。 Next, evaluation was performed using these.
(A)焼結体の組成
焼結体を粉砕し、Zr,Y,Ce,Dy,Znの含有量をICP発光分光分析法により測定し、それぞれZrO2,Y2O3,CeO2,Dy2O3,ZnOに換算した。表1に示す組成は、このように換算した値である。
(A) Composition of sintered body The sintered body was pulverized, and the contents of Zr, Y, Ce, Dy, and Zn were measured by ICP emission spectroscopy, and ZrO 2 , Y 2 O 3 , CeO 2 , and Dy, respectively. Converted to 2 O 3 and ZnO. The compositions shown in Table 1 are values converted in this way.
(B)破壊靱性値
JIS R 1607(1995年)に記載されたIF法に準拠して、長さ40mm×幅5mm×厚さ4mmの焼結体を算術平均高さRa0.05μmに鏡面研磨した試験片を測定した。ダイヤモンド製の圧こん端子を鏡面部に押し込み、これによって生じた圧こんおよび亀裂を観察し、次式により破壊靱性値Kc(Pa・m1/2)を求め、単位をMPa・m1/2に換算した。
(B) Fracture toughness value In accordance with the IF method described in JIS R 1607 (1995), a sintered body having a length of 40 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 4 mm was mirror-polished to an arithmetic average height Ra of 0.05 μm. The test piece was measured. A diamond indentation terminal is pushed into the mirror surface, the indentation and cracks generated by this are observed, the fracture toughness value Kc (Pa · m 1/2 ) is determined by the following equation, and the unit is MPa · m 1/2 Converted into
Kc=(0.026E1/2P1/2α)/C3/2
ここで、Eは弾性率(Pa)、Pは圧こん端子の押し込み荷重(N)、αは圧こんの対角線長さの平均の半分(m)、Cはクラック(亀裂)の長さの平均の半分(m)である。
Kc = (0.026E 1/2 P 1/2 α) / C 3/2
Where E is the elastic modulus (Pa), P is the indentation load (N) of the indentation terminal, α is half the average diagonal length of the indentation (m), and C is the average length of cracks (cracks). Half (m).
弾性率E(Pa)は、JIS R 1602(1995年)に記載された超音波パルス法により測定した。すなわち、焼結体に超音波を印加し、次式によって求めた。 The elastic modulus E (Pa) was measured by an ultrasonic pulse method described in JIS R 1602 (1995). That is, an ultrasonic wave was applied to the sintered body and obtained by the following formula.
E=ρ(3Vt 2Vl 2−4Vt 4)/(Vl 2−Vt 2)
ここで、ρはアルキメデス法により求めたかさ密度(kg/m3)、Vlは縦波の速度(m/s)、Vtは横波の速度(m/s)である。
E = ρ (3V t 2 V l 2 -4V t 4) / (V l 2 -V t 2)
Here, ρ is the bulk density (kg / m 3 ) determined by the Archimedes method, V 1 is the velocity of the longitudinal wave (m / s), and V t is the velocity of the transverse wave (m / s).
(C)曲げ強度
JIS R 1601(1995年)に準拠して、焼結体を加工し、算術平均高さがRa0.2μm以下、長さ36mm×幅4mm×厚さ3mmで、0.2mmのC面を付けた試験片を10個作製し、荷重試験機を用いてこの試験片に荷重を印加し、破壊するまでの最大荷重を測定し、次式により3点曲げ強度を算出した。
(C) Bending strength In accordance with JIS R 1601 (1995), a sintered body was processed, the arithmetic average height was Ra 0.2 μm or less, length 36 mm × width 4 mm ×
3点曲げ強度σ3(N/mm2)=3PL/2wt2
ここで、Pは試験片が破壊したときの最大荷重(N)、Lは下部支点間距離(mm)、wは試験片の幅(mm)、tは試験片の厚さ(mm)である。
3-point bending strength σ 3 (N / mm 2 ) = 3PL / 2 wt 2
Here, P is the maximum load (N) when the test piece breaks, L is the distance between the lower fulcrums (mm), w is the width (mm) of the test piece, and t is the thickness (mm) of the test piece. .
(D)内部のZnの濃度に対する表面近傍のZnの濃度の比
まず、Znの濃度の比の異なる分析用試料(焼結体)を次のように作製した。
(D) Ratio of Zn concentration in the vicinity of the surface to the concentration of internal Zn First, samples for analysis (sintered bodies) having different Zn concentration ratios were prepared as follows.
酸化ジルコニウム質焼結体1を表面から0.5mm研磨した焼結体の内部と、表面近傍とを、走査型電子顕微鏡(SEM)の観察画面で測定する分析エリア面を特定し、測定する分析エリア面への電子線の照射により発生する特性X線の波長を波長分散型X線マイクロアナライザー(WDS)にて検出してZn元素強度を測定した。この時の測定条件は、加速電圧を15kV程度、プローブ電流を10−7A程度、分析エリア面の面積を106μm2程度とし、Zn元素強度の測定は、各々について少なくとも5箇所以上を測定し、平均して求めた。そして、内部におけるZnの濃度を1としたとき、表面近傍におけるZnの濃度の比は、表面近傍におけるZn元素強度を内部におけるZn元素強度で割ることにより求めた。
Analysis area for measuring and analyzing the inside of the sintered body obtained by polishing the zirconium oxide sintered
(E)電気的特性
JIS C 2141(1992年)に準拠して、直径62mm×厚み3mmの焼結体をpH5の塩酸水溶液中およびpH11の水酸化ナトリウム水溶液中で各々10分間、超音波洗浄機(Cleansonic製BRANSON DHA−1000)を用いて超音波洗浄した後、純水で洗浄し、乾燥して、表面抵抗率と体積固有抵抗値を求めた。
(E) Electrical characteristics In accordance with JIS C 2141 (1992), an ultrasonic cleaning machine was used for each sintered body having a diameter of 62 mm and a thickness of 3 mm in a pH 5 hydrochloric acid aqueous solution and a pH 11 sodium hydroxide aqueous solution for 10 minutes each. After ultrasonic cleaning using (BRANSON DHA-1000 manufactured by Cleansonic), it was cleaned with pure water and dried to determine the surface resistivity and volume resistivity.
(F)パーティクルの発生個数
電気特性測定にて超音波洗浄に用いたpH5の塩酸水溶液およびpH11の水酸化ナトリウム水溶液のそれぞれに含まれるパーティクルをパーティクルカウンター(リオン株式会社製KL−26)で測定した。表1に示すパーティクルの個数は、塩酸水溶液および水酸化ナトリウム水溶液のパーティクル数(個)をパーティクルカウンターにより測定して合計し、このパーティクル数と焼結体の表面積とを用いて焼結体の表面積1cm2当たりから放出されたパーティクルの個数(個/cm2)に換算した値である。なお、パーティクルの個数は、粒径0.1μm以上〜0.3μm未満、0.3μm以上〜0.5μm未満、0.5μm以上のパーティクルの個数を測定し、これらの個数と焼結体の表面積とを用いて、焼結体の表面積1cm2当たりから放出されたパーティクルの発生量(個/cm2)を求めた。
(F) Number of generated particles Particles contained in each of pH 5 hydrochloric acid aqueous solution and pH 11 sodium hydroxide aqueous solution used for ultrasonic cleaning were measured with a particle counter (KL-26 manufactured by Rion Co., Ltd.). . The number of particles shown in Table 1 is the total number of particles of hydrochloric acid aqueous solution and sodium hydroxide aqueous solution measured by a particle counter, and the surface area of the sintered body is determined using the number of particles and the surface area of the sintered body. It is a value converted to the number of particles emitted from 1 cm 2 (number / cm 2 ). In addition, the number of particles measured the number of particles having a particle size of 0.1 μm to less than 0.3 μm, 0.3 μm to less than 0.5 μm, 0.5 μm or more, and using these numbers and the surface area of the sintered body, The generation amount (particles / cm 2 ) of particles released from the surface area of 1 cm 2 of the sintered body was determined.
それぞれの組成、焼成条件および評価結果を表1に示す。
表1に示す結果から明らかなように、本発明の範囲内の試料は、焼結体の内部のZn濃度を1としたとき、表面近傍におけるZnの濃度の比が0.75〜0.98であり、焼結体の表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも低かった。また、破壊靱性値が4〜5、3点曲げ強度が700〜930MPaと実用上十分な機械的特性を有し、表面抵抗率が103〜109Ω、体積固有抵抗値が2〜106Ω・mと半導電性を示した。また、パーティクルについては粒径0.3μm以上のものは発生せず、粒径0.1μm以上〜0.3μm未満のパーティクルが10個/cm2以下と少なかった。 As is apparent from the results shown in Table 1, the sample within the scope of the present invention has a Zn concentration ratio in the vicinity of the surface of 0.75 to 0.98 when the Zn concentration inside the sintered body is 1, The Zn concentration near the surface of the bonded body was lower than the Zn concentration inside. Further, the fracture toughness value is 4 to 5, and the three-point bending strength is 700 to 930 MPa, which is a practically sufficient mechanical property, the surface resistivity is 10 3 to 10 9 Ω, and the volume resistivity value is 2 to 10 6. It showed Ω · m and semiconductivity. Further, no particles having a particle size of 0.3 μm or more were generated, and the number of particles having a particle size of 0.1 μm to less than 0.3 μm was as small as 10 particles / cm 2 or less.
比較例の試料の特性は次の通りとなった。ZrをZrO2換算で91質量%、ZnをZnO換算で7質量%含む試料No.1は、表面抵抗率と体積固有抵抗値が大きく、半導電性を有していなかった。ZrをZrO2換算で49質量%含む試料No.11は破壊靱性値と曲げ強度が小さくなった。Y,CeおよびDyのうち少なくとも1種の含有量をそれぞれY2O3,CeO2およびDy2O3に換算したときの合計の含有量が0.5質量%の試料No.6は、破壊靱性値と曲げ強度が小さく、パーティクルの発生量も多くなり、15質量%の試料No.7は、破壊靱性値と曲げ強度が小さくなった。ZnをZnO換算で8質量%含む試料No.4は表面抵抗率と体積固有抵抗値が大きく、半導電性を有していなかった。ZnOの含有量が42質量%の試料No.10は、破壊靱性値と曲げ強度が小さく、体積固有抵抗値が1×10−3Ωとなって導電性となった。遮蔽用治具なしの試料No.13,15は焼結体の表面近傍にZnが存在せず、表面抵抗率と体積固有抵抗値が大きく、半導電性を有していなかった。酸素分圧を0MPa,0.002MPaとして焼成した試料No.16,17は焼結体の表面近傍にZnが存在せず、表面抵抗率と体積固有抵抗値が大きくなり、半導電性を有していなかった。酸素分圧を1.5MPa,2MPaとして焼成した試料No.22,23は、Zn濃度比がそれぞれ1.06,1.15と大きく、パーティクルが非常に多く発生した。気体の流量を0.002Nm3/分として焼成した試料No.24は焼結体表面近傍にZnが存在せず、表面抵抗率と表面抵抗値が高くなり、半導電性を有していなかった。気体の流量を1.3Nm3/分として焼成した試料No.28は表面抵抗率と表面抵抗値が高くなり、半導電性を有していなかった。 The characteristics of the comparative sample were as follows. Sample No. 1 containing 91% by mass of Zr in terms of ZrO 2 and 7% by mass of Zn in terms of ZnO. No. 1 had a large surface resistivity and volume resistivity, and was not semiconductive. Sample No. containing 49 mass% of Zr in terms of ZrO 2 11 had smaller fracture toughness and bending strength. Sample No. with a total content of 0.5 mass% when the content of at least one of Y, Ce and Dy is converted to Y 2 O 3 , CeO 2 and Dy 2 O 3 , respectively. No. 6 has a small fracture toughness value and bending strength, and a large amount of particles is generated. In No. 7, the fracture toughness value and bending strength were small. Sample No. 8 containing 8% by mass of Zn in terms of ZnO. No. 4 had large surface resistivity and volume resistivity, and did not have semiconductivity. Sample No. with a ZnO content of 42 mass% No. 10 had a small fracture toughness value and bending strength, and had a volume resistivity value of 1 × 10 −3 Ω and became conductive. Sample No. without shielding jig In Nos. 13 and 15, Zn was not present in the vicinity of the surface of the sintered body, the surface resistivity and the volume resistivity were large, and they were not semiconductive. Sample No. fired with an oxygen partial pressure of 0 MPa and 0.002 MPa. In Nos. 16 and 17, Zn was not present in the vicinity of the surface of the sintered body, the surface resistivity and the volume specific resistance value were large, and it was not semiconductive. Sample No. fired at an oxygen partial pressure of 1.5 MPa and 2 MPa. In 22 and 23, the Zn concentration ratio was as large as 1.06 and 1.15, respectively, and very many particles were generated. Sample No. fired with a gas flow rate of 0.002 Nm 3 / min. In No. 24, Zn did not exist in the vicinity of the surface of the sintered body, the surface resistivity and the surface resistance value were high, and it did not have semiconductivity. Sample No. fired with a gas flow rate of 1.3 Nm 3 / min. No. 28 had high surface resistivity and surface resistance, and did not have semiconductivity.
実施例および比較例の結果から、比較例の試料は、半導電性、機械的特性、パーティクル発生量のいずれかによって支持用治具に用いるには好ましくなかった。これに対し、本発明の試料は、焼結体の表面近傍におけるZnの濃度が内部におけるZnの濃度よりも低くなり、半導電性と実用上十分な機械的特性を有し、酸性水溶液やアルカリ性水溶液で洗浄した場合に焼結体から発生するパーティクル数が少なく、これらの洗浄を行なった後でも十分な半導電性を保持しており支持用治具として適していることが解る。 From the results of Examples and Comparative Examples, the samples of Comparative Examples were not preferred for use in supporting jigs due to any of semiconductivity, mechanical properties, and particle generation amount. On the other hand, in the sample of the present invention, the Zn concentration in the vicinity of the surface of the sintered body is lower than the Zn concentration inside, and has semiconductivity and sufficient mechanical properties in practical use. It can be seen that the number of particles generated from the sintered body is small when washed with an aqueous solution, and sufficient semiconductivity is maintained even after these washings are performed, making it suitable as a supporting jig.
1:酸化ジルコニウム質焼結体
2:酸化ジルコニウム質結晶
3,3a,3b:酸化亜鉛質粒界層
20: 成形体
22a:下部板
22b:上部板
24:側面板
26:遮蔽用治具
1: Zirconium oxide sintered body 2:
20: Molded body
22a: Lower plate
22b: Upper plate
24: Side plate
26: Shielding jig
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