JPH013064A - ジルコニア強化、ホイスカー補強アルミナ複合体 - Google Patents
ジルコニア強化、ホイスカー補強アルミナ複合体Info
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- JPH013064A JPH013064A JP63-34931A JP3493188A JPH013064A JP H013064 A JPH013064 A JP H013064A JP 3493188 A JP3493188 A JP 3493188A JP H013064 A JPH013064 A JP H013064A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は、ZrOっ粒子を含有し、補強繊維、フィラメ
ントまたはホイスカーを含むか含まないアルミナマトリ
ックスをベースとする高い破壊靭性および高強度を有す
るセラミック複合体に関する。より詳細には、本発明は
、Z r O2粒子および存在する時には繊維、フィラ
メントまたはホイスカーがAI Oのマトリックスに
均一に分散された複合体に関する。
ントまたはホイスカーを含むか含まないアルミナマトリ
ックスをベースとする高い破壊靭性および高強度を有す
るセラミック複合体に関する。より詳細には、本発明は
、Z r O2粒子および存在する時には繊維、フィラ
メントまたはホイスカーがAI Oのマトリックスに
均一に分散された複合体に関する。
従来技術
優れた工業材料としてのセラミック複合体の潜1!−性
は、世界中で多くの注意を引いている。成分の適当な組
み合わせの場合には、セラミックーセラミック複合体は
、セラミックスが金属および重合体よりも有利に犠牲な
しに強靭な強材料を約束する。
は、世界中で多くの注意を引いている。成分の適当な組
み合わせの場合には、セラミックーセラミック複合体は
、セラミックスが金属および重合体よりも有利に犠牲な
しに強靭な強材料を約束する。
近年、工業化セラミック複合体を開発するために美大な
量の研究が行われた。現在大規模の研究の焦点である2
つのセラミック複合体は下記のものである。
量の研究が行われた。現在大規模の研究の焦点である2
つのセラミック複合体は下記のものである。
(1)ジルコニア強化アルミナ(ZTA)および(2)
SiC−ホイスカー補強アルミナ(SWA)これらのセ
ラミック複合体の通常の製法は、粉末およびホイスカー
、フィラメントまたは繊維補強剤を混合した後、圧密す
ることからなる。1つの方法は、乾燥複合体成分をそれ
らの最終状態でボールミルまたはアトリションミルのい
ずれかで混合し、次いで、製品を取り出し、ホットプレ
ス成形法またはコールドプレス成形法および焼結によっ
て圧密することからなる。
SiC−ホイスカー補強アルミナ(SWA)これらのセ
ラミック複合体の通常の製法は、粉末およびホイスカー
、フィラメントまたは繊維補強剤を混合した後、圧密す
ることからなる。1つの方法は、乾燥複合体成分をそれ
らの最終状態でボールミルまたはアトリションミルのい
ずれかで混合し、次いで、製品を取り出し、ホットプレ
ス成形法またはコールドプレス成形法および焼結によっ
て圧密することからなる。
別法は、複合体成分をそれらの最終相で分散剤および/
または結合剤を通常含有する液体中において高剪断ミキ
サーおよび/または超音波ミキサーで混合することによ
ってスラリーを調製し、スラリーをフィルタープレスで
濾過し、ケークを乾燥し、次いで、乾燥ケークをホット
プレス成形法またはコールドプレス成形法および焼結に
よって圧密することからなる。
または結合剤を通常含有する液体中において高剪断ミキ
サーおよび/または超音波ミキサーで混合することによ
ってスラリーを調製し、スラリーをフィルタープレスで
濾過し、ケークを乾燥し、次いで、乾燥ケークをホット
プレス成形法またはコールドプレス成形法および焼結に
よって圧密することからなる。
これらの技術の両方とも、2つの不利:圧密前の複合体
成分の偏析および非緊密接触を有する。
成分の偏析および非緊密接触を有する。
緊密接触は、−輔ブレス成形時にホイスカーの整列を妨
害する。
害する。
通常の加工技術で可能であるよりも均一な複合体を得よ
うとする試みで使用するZTAの他の既知の製法として
は、ジルコニウム塩およびアルミニウム塩を水溶液から
共沈した後、酸化環境中でか焼する方法が挙げられる。
うとする試みで使用するZTAの他の既知の製法として
は、ジルコニウム塩およびアルミニウム塩を水溶液から
共沈した後、酸化環境中でか焼する方法が挙げられる。
別法は、ジルコニアおよびアルミナの同時火炎析出を使
用することからなる(例えば、S、ホリ、M、ヨシムラ
、S。
用することからなる(例えば、S、ホリ、M、ヨシムラ
、S。
ソミャ、K、クリタおよびカシ、rCVD粉末からのZ
rO強化A]203セラミックスの機械的性質J、J、
Mater、Sci、Lett、。
rO強化A]203セラミックスの機械的性質J、J、
Mater、Sci、Lett、。
4、(1984)、413−416り照)。
これらの既知の方法は、通常の混合粉末技術の場合に記
載したのと同し不利をこうむり、3成分系?516一体
の製造のためのホイスカーの添加に適合しない。
載したのと同し不利をこうむり、3成分系?516一体
の製造のためのホイスカーの添加に適合しない。
ジルコニアは、分散相として存在する時には、2つの別
個の機構によってアルミナを強化できることか以前から
既知である。1つは、伝搬亀裂先端のひずみ湯中のジル
コニア粒子中で起こる準安定)目(正方晶)から安定相
(単斜晶)への応力誘発マルテンサイト柑転移による。
個の機構によってアルミナを強化できることか以前から
既知である。1つは、伝搬亀裂先端のひずみ湯中のジル
コニア粒子中で起こる準安定)目(正方晶)から安定相
(単斜晶)への応力誘発マルテンサイト柑転移による。
この相転移は、応力を解除する。エネルギーが相転移(
核生成バリヤー)の活性化エネルギーによって吸収され
るので応力か解除されるのか、あるいはt −m相変化
時に起こる膨張のためかけられる圧縮力によって伝搬亀
裂先端中での引張力が解除されるのかどうかは明らかで
はない。ジルコニアがアルミナを強化することができる
他の機構は、正方晶相から既に転移された単斜晶系粒子
によるアルミナマトリックスの応力核生成微小亀裂によ
る。このことは、応力を局部ひずみを通して非局在化す
ることによって応力を解除する。
核生成バリヤー)の活性化エネルギーによって吸収され
るので応力か解除されるのか、あるいはt −m相変化
時に起こる膨張のためかけられる圧縮力によって伝搬亀
裂先端中での引張力が解除されるのかどうかは明らかで
はない。ジルコニアがアルミナを強化することができる
他の機構は、正方晶相から既に転移された単斜晶系粒子
によるアルミナマトリックスの応力核生成微小亀裂によ
る。このことは、応力を局部ひずみを通して非局在化す
ることによって応力を解除する。
ZTA中のt−Zr02粒子の準安定性、従って応力に
よって誘発されるtZr02からm −Z r O2へ
の相転移を経ての強化度は、複合体の微構造の強い関数
である。核生成バリヤー(粒径、粒子の形状およびマト
リックス拘束の関数)は、標準転移温度未満でジルコニ
ア粒子の安定相への転移を抑制するCA、ハウエル、N
、クラウゼン、W、クリ−ベン、およびM、ルーμ、「
スタビリテイ−・オブ・テトラブチル・パーティクルズ
・イン・セラミックス・マトリシーズ(Stabi I
Ityof Tctragonal Particl
es 1n Ccram!csMatriccs)
、 65 (12) 642−50(1982))。
よって誘発されるtZr02からm −Z r O2へ
の相転移を経ての強化度は、複合体の微構造の強い関数
である。核生成バリヤー(粒径、粒子の形状およびマト
リックス拘束の関数)は、標準転移温度未満でジルコニ
ア粒子の安定相への転移を抑制するCA、ハウエル、N
、クラウゼン、W、クリ−ベン、およびM、ルーμ、「
スタビリテイ−・オブ・テトラブチル・パーティクルズ
・イン・セラミックス・マトリシーズ(Stabi I
Ityof Tctragonal Particl
es 1n Ccram!csMatriccs)
、 65 (12) 642−50(1982))。
ジルコニアの粒径は、核生成バリヤーの鍵のパラメータ
ーである。臨界最小粒径(約50nm)が存在し、それ
以下では応力誘発相転移は起こらない。また、臨界最大
粒径(約0. 6μm)が存在し、それ以上では粒子は
室温への冷却時に安定相(m)に自発的に転移するであ
ろう。明らかに、ジルコニア粒子の直径は、転移強化が
達成されるべきであるならば、これらの2つの限界間に
なければならない。より大きい粒子は、より小さい粒子
よりも応力場においてより容易に転移する。しかしなが
ら、逆転移、mからtが起こる温度は、転移強化が起こ
ることができる最高温度の尺度である。この温度は、粒
径が増大するにつれて下がる。より小さいジルコニア粒
子は、より大きい粒子よりも高い温度で転移強化を与え
る。
ーである。臨界最小粒径(約50nm)が存在し、それ
以下では応力誘発相転移は起こらない。また、臨界最大
粒径(約0. 6μm)が存在し、それ以上では粒子は
室温への冷却時に安定相(m)に自発的に転移するであ
ろう。明らかに、ジルコニア粒子の直径は、転移強化が
達成されるべきであるならば、これらの2つの限界間に
なければならない。より大きい粒子は、より小さい粒子
よりも応力場においてより容易に転移する。しかしなが
ら、逆転移、mからtが起こる温度は、転移強化が起こ
ることができる最高温度の尺度である。この温度は、粒
径が増大するにつれて下がる。より小さいジルコニア粒
子は、より大きい粒子よりも高い温度で転移強化を与え
る。
複合体の補強にホイスカーまたは短繊維を使用すること
は、時々研究された。最初は、繊維は、ガラスおよび金
属を補強するのに使用された[A。
は、時々研究された。最初は、繊維は、ガラスおよび金
属を補強するのに使用された[A。
デイレ力、S、フィシュマンおよびS、カルマーカー、
[シリコン・カーバイド・レインフォース1−−アルミ
ナ(Silicon Carbide Re1nfor
ced八Iumina)、へ J、 Metals、
pl 12、9月(1981)]。
[シリコン・カーバイド・レインフォース1−−アルミ
ナ(Silicon Carbide Re1nfor
ced八Iumina)、へ J、 Metals、
pl 12、9月(1981)]。
最近、セラミックマトリックスのホイスカー補強か、[
]立ってきた。作ることができたホイスカーとマトリッ
クスとの多数の組み合わせがある。
]立ってきた。作ることができたホイスカーとマトリッ
クスとの多数の組み合わせがある。
最近、強い単結晶SiCホイスカーを使用してアルミナ
を補強することは、徹底的に研究されていいる。この複
合体(SWA)の破壊靭性と引張強さとの両方とも単斜
晶系アルミナのものの少なくとも2倍であることができ
ることが確認されているCG、 ウェイおよびP、ベ
ラチャー、「デベロップメント・オブ・SiCホイスカ
ー・レインフォースト・セラミックス(Dcvclop
nent of’ 5iCWhisker Re1nf
orced Ceramics ) 、 Am、Ce
ram、Soc、Bul 1.64 (2)。
を補強することは、徹底的に研究されていいる。この複
合体(SWA)の破壊靭性と引張強さとの両方とも単斜
晶系アルミナのものの少なくとも2倍であることができ
ることが確認されているCG、 ウェイおよびP、ベ
ラチャー、「デベロップメント・オブ・SiCホイスカ
ー・レインフォースト・セラミックス(Dcvclop
nent of’ 5iCWhisker Re1nf
orced Ceramics ) 、 Am、Ce
ram、Soc、Bul 1.64 (2)。
298−304 (1985))。
複合体成分のすぐれた均一性は、加工時の偏析問題が回
避されるので、マトリックス材料の製法としてのゾル−
ゲル化法によって達成できる。また、ホイスカーの非整
列は、圧密前の複合体成分の緊密接触のため達成できる
。しかしながら、ゾル−ゲルを使用する概念は、初期研
究の不良な結果のためセラミックコミユニティ−の大部
分によって捨てられた。経験される問題は、高い気孔率
およびゾル−ゲル誘導アルミナのα−相への加工時の止
めどもない(runaway )粒成長である(B。
避されるので、マトリックス材料の製法としてのゾル−
ゲル化法によって達成できる。また、ホイスカーの非整
列は、圧密前の複合体成分の緊密接触のため達成できる
。しかしながら、ゾル−ゲルを使用する概念は、初期研
究の不良な結果のためセラミックコミユニティ−の大部
分によって捨てられた。経験される問題は、高い気孔率
およびゾル−ゲル誘導アルミナのα−相への加工時の止
めどもない(runaway )粒成長である(B。
キベルおよびA、ホイエル、「イクザジャレイテッド・
グライン・グロース・イン・ジルコニア・タツフンド・
アルミナ(Exaggerated GrainGro
wth In Zirconia Toughened
Alumina) 、 J 。
グライン・グロース・イン・ジルコニア・タツフンド・
アルミナ(Exaggerated GrainGro
wth In Zirconia Toughened
Alumina) 、 J 。
Am、Cer、Soc、、69,231(1986))
。
。
発明の概要
本発明の範囲は、ゾル−ゲル法によって誘導され、高め
られた強度および靭性を示す本質上Al2O3マトリッ
クス中の均一に分散されたZrOっ粒子からなる複合体
を製造することである。
られた強度および靭性を示す本質上Al2O3マトリッ
クス中の均一に分散されたZrOっ粒子からなる複合体
を製造することである。
更に他の範囲は、補強剤として均一に分散された繊維、
フィラメントまたはホイスカーを更に含む前記のものと
同じ性質を有する複合体を製造することである。
フィラメントまたはホイスカーを更に含む前記のものと
同じ性質を有する複合体を製造することである。
驚異的なことに、特定のゾル−ゲル技術を使用すること
によって、優れた破壊靭性および高強度を有する複合体
を製造することが可能であることが見出された。
によって、優れた破壊靭性および高強度を有する複合体
を製造することが可能であることが見出された。
発明の詳細な説明
本発明の目的は、α−アルミナからなる改良された靭性
を何する複合粉末であって (a)2〜30重量%の量で存在しかつ正方晶形、聾で
ある微分散ジルコニアおよび (b)0〜30重量%の瓜の均一に分散されたホイスカ
ー、フィラメントまたは繊維 を含む複合粉末を提供することにある。
を何する複合粉末であって (a)2〜30重量%の量で存在しかつ正方晶形、聾で
ある微分散ジルコニアおよび (b)0〜30重量%の瓜の均一に分散されたホイスカ
ー、フィラメントまたは繊維 を含む複合粉末を提供することにある。
より詳細には、本発明の複合体は、好ましくは4〜16
重量26の量のジルコニアを有するアルミナ−ジルコニ
ア2成分系複合体である。
重量26の量のジルコニアを有するアルミナ−ジルコニ
ア2成分系複合体である。
また、5〜20重量%の量のホイスカー、フィラメント
または繊維を有するアルミナ−ジルコニア−ホイスカ−
3成分系複合体は、本発明に属する。
または繊維を有するアルミナ−ジルコニア−ホイスカ−
3成分系複合体は、本発明に属する。
本発明の複合体に含まれるジルコニアは、ジルコニアを
正方晶形態にさせる範囲内である平均直径を有する。前
記のように、前記直径は、0.6μmを超えるべきでは
ない。
正方晶形態にさせる範囲内である平均直径を有する。前
記のように、前記直径は、0.6μmを超えるべきでは
ない。
特に、本発明の複合体は、ホイスカーがアスペクト比(
長さ/直径)10〜200、平均直径0.05〜0.7
μmを有するSiCホイスカーでありかつ10〜20重
量%の量で存在する3成分系複合体である。
長さ/直径)10〜200、平均直径0.05〜0.7
μmを有するSiCホイスカーでありかつ10〜20重
量%の量で存在する3成分系複合体である。
ジルコニアは、転移/微小亀裂強化物質として使用され
、一方、ホイスカー、フィラメントおよび繊維は、亀裂
撓み強化物質である。
、一方、ホイスカー、フィラメントおよび繊維は、亀裂
撓み強化物質である。
本発明で使用できるホイスカーまたは繊維、例えば、ア
ルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、
炭化ケイ素およびシリカ、好ましくは窒化ケイ素および
炭化ケイ素をベースとするものは、すべてアルミナ強化
で技術上既知の補強剤である。
ルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、
炭化ケイ素およびシリカ、好ましくは窒化ケイ素および
炭化ケイ素をベースとするものは、すべてアルミナ強化
で技術上既知の補強剤である。
高性能セラミック複合体は、切削工具、摩耗部品、軍事
用応用、航空宇宙産業応用、熱エンジン部品などの広範
囲の潜在的応用を有する。このような応用は、具体化で
き、新しい市場の機会は、経済的に処方された複合粉末
、低コストの圧密法、および良好な機械的性能および熱
的性能が達成される場合にのみ生ずることができる。本
発明の2成分系および3成分系複合体の場合には、単純
な一低コストの工程から正しい性質を有する新しい工業
化セラミック粉末を製造することが可能である。
用応用、航空宇宙産業応用、熱エンジン部品などの広範
囲の潜在的応用を有する。このような応用は、具体化で
き、新しい市場の機会は、経済的に処方された複合粉末
、低コストの圧密法、および良好な機械的性能および熱
的性能が達成される場合にのみ生ずることができる。本
発明の2成分系および3成分系複合体の場合には、単純
な一低コストの工程から正しい性質を有する新しい工業
化セラミック粉末を製造することが可能である。
本発明の別の目的は、前記複合粉末から製造される改良
された靭性を有するセラミック焼結体を提供することに
ある。
された靭性を有するセラミック焼結体を提供することに
ある。
本発明の2成分系複合粉末は、
(A)アルミナゲルを調製し、前記ゲルにα−アルミナ
シードおよびジルコニウム塩溶液を加えてゲル化マトリ
ックスを調製しく前記ジルコニア瓜に対応する瓜)、 (B)ゲル化マトリックスを乾燥し、次いで、乾燥物を
、アルミナをα−相に転移しかつジルコニアを正方晶相
に転移するのに十分な温度および時間か焼する ことを含むゾル−ゲル法によって製造される。
シードおよびジルコニウム塩溶液を加えてゲル化マトリ
ックスを調製しく前記ジルコニア瓜に対応する瓜)、 (B)ゲル化マトリックスを乾燥し、次いで、乾燥物を
、アルミナをα−相に転移しかつジルコニアを正方晶相
に転移するのに十分な温度および時間か焼する ことを含むゾル−ゲル法によって製造される。
ここで「α−シード」なる用語は、一般に直径約0.
1〜0.5μmを有するサブミクロンα−アルミナ粒子
を意味する。この用語は、例えば、M、クマガイおよび
G、メッシングの「コンドロールド・トランスフォーメ
ーション−エンド・シンタリング・オブ・ア・ベーマイ
ト・ゾル・ゲル・ハイ・アルファ・アルミナ・シーディ
ング(Controlled transrorna
tlon and Sinteringo[a
BocbmiLe 5ol−Ge! by al
pha−aluminaSeeding)J 、 J
、 Am、 Ce r am、 S o c。
1〜0.5μmを有するサブミクロンα−アルミナ粒子
を意味する。この用語は、例えば、M、クマガイおよび
G、メッシングの「コンドロールド・トランスフォーメ
ーション−エンド・シンタリング・オブ・ア・ベーマイ
ト・ゾル・ゲル・ハイ・アルファ・アルミナ・シーディ
ング(Controlled transrorna
tlon and Sinteringo[a
BocbmiLe 5ol−Ge! by al
pha−aluminaSeeding)J 、 J
、 Am、 Ce r am、 S o c。
68 (9)、500−505 (1985)における
ように技術上広く使用されている。
ように技術上広く使用されている。
一般に、前記α−シードは、A 1203の全量に対し
て灼1,5〜4.0重量96の量で使用される。
て灼1,5〜4.0重量96の量で使用される。
本発明によれば、複合粉末の応用の種類に応じて、か焼
物に含まれるアルミナは、すべてがa−相ではなくとも
よいが、いずれにしても、γ−相を含有しないならば、
成る量のθ−相を含有できる。
物に含まれるアルミナは、すべてがa−相ではなくとも
よいが、いずれにしても、γ−相を含有しないならば、
成る量のθ−相を含有できる。
本発明によれば、前記方法の工程(A)で2〜20重量
%、好ましくは5〜15重量%の量の正方晶形態の超微
細ジルコニア粒子の分散液も添加できる。前記粒子の使
用は、最終製品の靭性および均一性の一層良い結果を得
ることを可能にする。
%、好ましくは5〜15重量%の量の正方晶形態の超微
細ジルコニア粒子の分散液も添加できる。前記粒子の使
用は、最終製品の靭性および均一性の一層良い結果を得
ることを可能にする。
いかなるジルコニウム塩、例えば、塩化ジルコニウム、
オキシ塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、過塩素酸
ジルコニウム、好ましくはオキシ塩化ジルコニウムも、
工程(A)で前記ジルコニウム溶液を調製するのに使用
できる。
オキシ塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、過塩素酸
ジルコニウム、好ましくはオキシ塩化ジルコニウムも、
工程(A)で前記ジルコニウム溶液を調製するのに使用
できる。
出発アルミナゲルは、既知方法によって調製でき、例え
ば、塩化アルミニウム6水和物(ACH)、アルミニウ
ム1水和物またはアルミニウムアルコキシドから調製で
きる。
ば、塩化アルミニウム6水和物(ACH)、アルミニウ
ム1水和物またはアルミニウムアルコキシドから調製で
きる。
アルミナ1水和物を40〜80℃の温度で希薄酸性溶液
に分散することによって前記ゲルを調製することが好ま
しい。これらの条件下では、分散繊維、フィラメントま
たはホイスカー、ジルコニア粒子またはα−アルミナシ
ードの偏析が起こらず、弱化不均一性を含まない複合体
をもたらすことを保証するすぐれた均一ゲルが、調製さ
れる。
に分散することによって前記ゲルを調製することが好ま
しい。これらの条件下では、分散繊維、フィラメントま
たはホイスカー、ジルコニア粒子またはα−アルミナシ
ードの偏析が起こらず、弱化不均一性を含まない複合体
をもたらすことを保証するすぐれた均一ゲルが、調製さ
れる。
前記方法の工程(B)の乾燥を約80〜200℃、好ま
しくは90〜140℃の温度で12〜48時間真空下ま
たは大気圧で行うことができる。
しくは90〜140℃の温度で12〜48時間真空下ま
たは大気圧で行うことができる。
前記工程(B)のか焼は、約1000〜1300℃、好
ましくは1050〜1200℃の温度で10〜200分
間行う。
ましくは1050〜1200℃の温度で10〜200分
間行う。
好ましくは、か焼は、2段で行う。第一工程は、乾燥粉
末を700〜900℃の温度で、例えばジルコニウム塩
の陰イオンに由来するすべての不純物を追い出すのに十
分な時間加熱することからなる。次いで、第二工程は、
予めか焼された粉末を前記最終所望温度に加熱すること
である。
末を700〜900℃の温度で、例えばジルコニウム塩
の陰イオンに由来するすべての不純物を追い出すのに十
分な時間加熱することからなる。次いで、第二工程は、
予めか焼された粉末を前記最終所望温度に加熱すること
である。
好ましくは、第一工程は約800℃で行い、第二工程は
約1200℃で行う。
約1200℃で行う。
3段分系化合物を調製したい時には、繊維、フィラメン
トまたはホイスカー分散液は、工程(A)で最終製品中
の所望量に対応するような量で添加できる。または繊維
、フィラメントまたはホイスカーは、SWAの通常の製
法で使用するのと同様の方法で、本発明のゾル−ゲル法
で調製された一rめか焼された2段分系Al2O3−Z
「0っ複合体に添加できる。
トまたはホイスカー分散液は、工程(A)で最終製品中
の所望量に対応するような量で添加できる。または繊維
、フィラメントまたはホイスカーは、SWAの通常の製
法で使用するのと同様の方法で、本発明のゾル−ゲル法
で調製された一rめか焼された2段分系Al2O3−Z
「0っ複合体に添加できる。
マトリックスの制御された微構造は、シード(サブミク
ロンα−アルミナ)でゲルの核生成頻度を制御すること
によって得られる。驚異的なことに、本発明の方法での
α−シードの使用(α−シーディング)は、アルミニウ
ムマトリックスの転移温度をα−相に下げる機会を有す
るとともにジルコニア粒子の成長を最適サイズに高める
機会も有することが見出された。このことは、非常に高
い靭性および強度を有する製品を生ずる。
ロンα−アルミナ)でゲルの核生成頻度を制御すること
によって得られる。驚異的なことに、本発明の方法での
α−シードの使用(α−シーディング)は、アルミニウ
ムマトリックスの転移温度をα−相に下げる機会を有す
るとともにジルコニア粒子の成長を最適サイズに高める
機会も有することが見出された。このことは、非常に高
い靭性および強度を有する製品を生ずる。
事実、臨界的破壊靭性データは、α−シーディングが複
合体の靭性を高めることに関して非常に有意な効果を何
することを示す。このことは、−般にゾル−ゲルから製
造されたAl2O3−ZrO2をベースとする複合体が
低強度および低靭性を有するであろうことが既知であっ
たことからすると、予想外のことである。従って、α−
シーディングの効果は、相転移温度を制御するだけでは
なく、転移靭性を最適にするのに必須であるZ r O
2粒径を制御することである。
合体の靭性を高めることに関して非常に有意な効果を何
することを示す。このことは、−般にゾル−ゲルから製
造されたAl2O3−ZrO2をベースとする複合体が
低強度および低靭性を有するであろうことが既知であっ
たことからすると、予想外のことである。従って、α−
シーディングの効果は、相転移温度を制御するだけでは
なく、転移靭性を最適にするのに必須であるZ r O
2粒径を制御することである。
すべての報告例においては、本発明の複合粉末は、下記
の通り特徴づけられた。複合粉末試料を4000ps
iで1670℃〜1690℃の温度において7〜10分
間ホットプレス成形した。ホットプレス成形試料を表面
粉砕し、スライスして、機械的試験用試験試料として役
立つ幅12IIIIIの棒とした。
の通り特徴づけられた。複合粉末試料を4000ps
iで1670℃〜1690℃の温度において7〜10分
間ホットプレス成形した。ホットプレス成形試料を表面
粉砕し、スライスして、機械的試験用試験試料として役
立つ幅12IIIIIの棒とした。
試験を単一のエツジノツチビーム技術によって行った。
これらの試験結果から、臨界的破壊靭性(K +c、M
P a−m ”2)を計算した。
P a−m ”2)を計算した。
前記技術は、L、A、 シンプソン、J。
Amer、Ceram、Soc、、Vol、57゜No
、4,151−154. (1974年4月)に記載
されている。
、4,151−154. (1974年4月)に記載
されている。
下記例は、本発明を例示するため゛にのみ与え、その限
定とはみなすべきではない。
定とはみなすべきではない。
例1〜4
3成分系複合体
高分散アルミナ1水和物(分散性〉98%)は、キャタ
パル(Catapal R) Aアルミナ(ビスツ・ケ
ミカル)を希薄酸性溶液に分散することによって調製し
た(塩酸を70℃で使用した)。ゲルは、酸濃度をH+
1.6mM/アルミナgに増大することによって得た。
パル(Catapal R) Aアルミナ(ビスツ・ケ
ミカル)を希薄酸性溶液に分散することによって調製し
た(塩酸を70℃で使用した)。ゲルは、酸濃度をH+
1.6mM/アルミナgに増大することによって得た。
アスペクト比(長さ/直径)20〜200および直径0
.05〜0.15μmを有するタイプ5CW−I Sタ
テホのニラショー・イワイ・アメリカン・コーポレーシ
ョン製SiCホイスカーは、50%MCI溶液中で浸出
し、十分にすすぐことによって浄化した。ホイスカーは
、pH6に調節した後、超音波分散することによって水
に分散させた。平均直径0.4μmを有するセラミック
体(CERALOX ) B M86018 a −フ
ルミナを使用することによって調製された20重量%α
−アルミナゾルは、硝酸を使用してpHを3,7に調節
することによって70℃で調製した。ゾルを十分に努散
させた。次いで、分散されたSiCホイスカーをゾルに
加え、トップ攪拌機を使用することによって、この混合
物を前記で調製されたアルミナゲルに加えて均一化した
。次いで、オキシ塩化ジルコニウム溶液を混入した。こ
のことは、マトリックスの即座のゲル化が生じた。Si
C分散液およびオキシ塩化ジルコニウム溶液は、表1に
報告の量のSiCおよびZ r O2を与えるような量
で使用した。
.05〜0.15μmを有するタイプ5CW−I Sタ
テホのニラショー・イワイ・アメリカン・コーポレーシ
ョン製SiCホイスカーは、50%MCI溶液中で浸出
し、十分にすすぐことによって浄化した。ホイスカーは
、pH6に調節した後、超音波分散することによって水
に分散させた。平均直径0.4μmを有するセラミック
体(CERALOX ) B M86018 a −フ
ルミナを使用することによって調製された20重量%α
−アルミナゾルは、硝酸を使用してpHを3,7に調節
することによって70℃で調製した。ゾルを十分に努散
させた。次いで、分散されたSiCホイスカーをゾルに
加え、トップ攪拌機を使用することによって、この混合
物を前記で調製されたアルミナゲルに加えて均一化した
。次いで、オキシ塩化ジルコニウム溶液を混入した。こ
のことは、マトリックスの即座のゲル化が生じた。Si
C分散液およびオキシ塩化ジルコニウム溶液は、表1に
報告の量のSiCおよびZ r O2を与えるような量
で使用した。
α−アルミナゾルは、「α−シード」が表1に報告の量
で存在するような量で使用した。
で存在するような量で使用した。
アルミナゲル中にZrO2、SICホイスカーおよびα
−A I 203シードを含有する調製ゲルの顕微鏡写
真を第1図に示す。ホイスカーおよびα−アルミナシー
ドは、良く分散し、ゲルマトリックスの凝集または塊状
化はないことが明らかである(この状態では半透明)。
−A I 203シードを含有する調製ゲルの顕微鏡写
真を第1図に示す。ホイスカーおよびα−アルミナシー
ドは、良く分散し、ゲルマトリックスの凝集または塊状
化はないことが明らかである(この状態では半透明)。
ゲルを125℃で乾燥した。乾燥ゲルをボールミル粉砕
し、800℃で2時間か焼してすべての塩化物を追い出
し、最後に1200℃で2時間か焼してZ「02を正方
晶相に転移させ、アルミナマトリックスをα−アルミナ
に転移させた。第2、図にゲルから製造されたか焼複合
粉末のSEM(走査電子顕微鏡測定)を示す。SiCホ
イスカーは、均一に分布されかつマトリックスに埋設さ
れていることが明らかである。
し、800℃で2時間か焼してすべての塩化物を追い出
し、最後に1200℃で2時間か焼してZ「02を正方
晶相に転移させ、アルミナマトリックスをα−アルミナ
に転移させた。第2、図にゲルから製造されたか焼複合
粉末のSEM(走査電子顕微鏡測定)を示す。SiCホ
イスカーは、均一に分布されかつマトリックスに埋設さ
れていることが明らかである。
前記のように試験されたホットプレス成形粉末は、表1
に報告の破壊靭性KICを有するセラミック体を与えた
。
に報告の破壊靭性KICを有するセラミック体を与えた
。
例IAおよび2A(比較例)
それぞれ例1および2と同じ量のZrO2およびSiC
ホイスカーを有する複合粉末は、既知技術に従ってα−
アルミナ、ジルコニアおよびSiCホイスカーの粉末を
機械的に混合することによって調製した。
ホイスカーを有する複合粉末は、既知技術に従ってα−
アルミナ、ジルコニアおよびSiCホイスカーの粉末を
機械的に混合することによって調製した。
ホットプレス成形後に得られたセラミック体の破壊靭性
を表1に報告する。
を表1に報告する。
混合粉末アプローチから製造された複合体のに1cをα
−シードを有するゾル−ゲルによって製造された3成分
系複合体のKICと比較すると、シードアプローチでの
ゾル−ゲルは、ン昆き粉末アプローチよりも強靭な複合
体を生ずることが明らかである。
−シードを有するゾル−ゲルによって製造された3成分
系複合体のKICと比較すると、シードアプローチでの
ゾル−ゲルは、ン昆き粉末アプローチよりも強靭な複合
体を生ずることが明らかである。
例5〜6
2成分系複合体
ホイスカー分散液を使用しない以外は、例1〜4に記載
の条件ドで例1〜4に記載の方法で操作した。
の条件ドで例1〜4に記載の方法で操作した。
オキシ塩化ジルコニウム溶液は、表2に報告のZrO,
)Inを与えるような量で使用し、α−アルミナゾルは
、「α−ンード」が表2に報告の瓜で存在するような量
で使用した。
)Inを与えるような量で使用し、α−アルミナゾルは
、「α−ンード」が表2に報告の瓜で存在するような量
で使用した。
例1〜4に記載のように試験されたホットプレス成形粉
末は、表2に報告の破壊靭性KICを有するセラミック
体を与えた。
末は、表2に報告の破壊靭性KICを有するセラミック
体を与えた。
例5の複合体の破壊表面のSEMを表す第3a図中に完
全に見出されるアルミナマトリックス中に微細な粒状Z
rOっを認めることは、興味深い。
全に見出されるアルミナマトリックス中に微細な粒状Z
rOっを認めることは、興味深い。
α−アルミナシードを有する5 96 Z r O2の
場合の破壊靭性7MPam1/2は、2成分系Z「0っ
複合体の場合には優秀であるとみなされる。
場合の破壊靭性7MPam1/2は、2成分系Z「0っ
複合体の場合には優秀であるとみなされる。
例5A(比較例)
例5と同し量のZ r O2を有する複合粉末は、既知
技術に従ってアルミナおよびジルコニアの粉末を機械的
に混合することによって調製した。
技術に従ってアルミナおよびジルコニアの粉末を機械的
に混合することによって調製した。
ホットプレス成形後に得られたセラミック体の破壊靭性
を表2に報告する。
を表2に報告する。
例5B(比較例)
例5を繰り返した。α−アルミナシードを使用しない以
外は、複合粉末を同じゾル−ゲル法によって製造した。
外は、複合粉末を同じゾル−ゲル法によって製造した。
ホットプレス成形後に得られたセラミック体の破壊靭性
に1oを表2に報告する。
に1oを表2に報告する。
第3b図は、例5Bの複合体の破壊表面のSEMを表す
。第3a図との比較およびKIC値の比較から、α−ア
ルミナシードは、この2成分系複合体の焼結に関して有
意な効果を有していたこ例 2102%
5iC90IA(比較) 5 152
A(比較) 5 30 例 2102% SiC%5A(比較)
5 05B(比較)50 受1 4 9.40 − 7. 60 4 9、 87 −8.0 4 9.33 4 10.06 表2 3 7.09 − 4.30 0 3.17 3 6.07
。第3a図との比較およびKIC値の比較から、α−ア
ルミナシードは、この2成分系複合体の焼結に関して有
意な効果を有していたこ例 2102%
5iC90IA(比較) 5 152
A(比較) 5 30 例 2102% SiC%5A(比較)
5 05B(比較)50 受1 4 9.40 − 7. 60 4 9、 87 −8.0 4 9.33 4 10.06 表2 3 7.09 − 4.30 0 3.17 3 6.07
第1図はZ r O2,15%、5iC1596、α−
アルミナシード3%のアルミナ複合ゲルの顕微鏡写真(
倍率600倍)、第2図はZ r O25%、5iC1
5%、シード3%の1200℃か焼抜合体のSEM顕微
鏡写A(倍率200倍)、第3a図はシードを含む2成
分系(Z r O25%)複合体の破壊表面のSEM、
第3b図はシードを含まない2成分系(Z r O25
%)複合体の破壊表面のSEM(倍率5000倍)であ
る。 出願人代理人 佐 藤 −雄 手続乎市正書(方式) %式% 2、発明の名称 ジルコニア強化、ホイスカー補強アルミナ複合体3、補
正をする者 事件との関係 特許出願人 1ラモント、リサーチ、コーポレーション4、代 理
人(郵便番号100) (発送口 昭和63年5月310) 6、補正の対象 願書の発明者、特許出願人の欄、明細書の「図面の簡単
な説明」の欄および図面、奪住味′7、補正の内容 (1)別紙の通り
アルミナシード3%のアルミナ複合ゲルの顕微鏡写真(
倍率600倍)、第2図はZ r O25%、5iC1
5%、シード3%の1200℃か焼抜合体のSEM顕微
鏡写A(倍率200倍)、第3a図はシードを含む2成
分系(Z r O25%)複合体の破壊表面のSEM、
第3b図はシードを含まない2成分系(Z r O25
%)複合体の破壊表面のSEM(倍率5000倍)であ
る。 出願人代理人 佐 藤 −雄 手続乎市正書(方式) %式% 2、発明の名称 ジルコニア強化、ホイスカー補強アルミナ複合体3、補
正をする者 事件との関係 特許出願人 1ラモント、リサーチ、コーポレーション4、代 理
人(郵便番号100) (発送口 昭和63年5月310) 6、補正の対象 願書の発明者、特許出願人の欄、明細書の「図面の簡単
な説明」の欄および図面、奪住味′7、補正の内容 (1)別紙の通り
Claims (12)
- 1.α−アルミナからなる改良された靭性を有する複合
粉末であって、 (a)2〜30重量%の量で存在しかつ正方晶形態であ
る微分散ジルコニアおよび (b)0〜30重量%の量の均一に分散されたホイスカ
ー、フィラメントまたは繊維 を含むことを特徴とする複合粉末。 - 2.ジルコニアの量が4〜16重量%であり、前記複合
体が2成分系複合体である、請求項1に記載の複合粉末
。 - 3.ホイスカー、フィラメントまたは繊維の量が5〜2
0重量%であり、前記複合体が3成分系複合体である、
請求項1に記載の複合粉末。 - 4.繊維、フィラメントまたはホイスカーが、Al_2
O_3、Si_3N_4、BN、AlN、SiC、およ
びSiO_2をベースとするものからなる群から選ばれ
る、請求項1に記載の複合粉末。 - 5.ホイスカーが、アスペクト比(長さ/直径)10〜
200および平均直径0.05〜0.7μmを有するS
iICホイスカーでありかつ10〜20重量%の量で存
在する、請求項1に記載の複合粉末。 - 6.(A)アルミナゲルを調製し、前記ゲルにα−アル
ミナシードおよびジルコニウム塩溶液を加えてゲル化マ
トリックスを調製し(請求項1に記載のジルコニア量に
対応する量)、 (B)ゲル化マトリックスを乾燥し、次いで、乾燥物を
、アルミナをα−相に転移しかつジルコニアを正方晶相
に転移するのに十分な温度および時間か焼する ことを特徴とする請求項1に記載の複合粉末を製造する
ゾル−ゲル法。 - 7.(A)点で請求項1に記載の繊維、フィラメントま
たはホイスカー量に対応する量の繊維、フィラメントま
たはホイスカー分散液を加えることを更に含む、請求項
6に記載の方法。 - 8.α−アルミナシードが、平均直径0.1〜0.5μ
mを有し、1.5〜4.0重量%の量で存在する、請求
項6に記載の方法。 - 9.請求項1に記載の複合粉末から製造される改良され
た靭性を有するセラミック焼結体。 - 10.請求項4に記載の複合粉末から製造される改良さ
れた靭性を有するセラミック焼結体。 - 11.(A)アルミナゲルを調製し、前記ゲルにα−ア
ルミナシードおよびジルコニウム塩溶液を加えてゲル化
マトリックスを調製し(請求項1に記載のジルコニア量
に対応する量)、 (B)ゲル化マトリックスを乾燥し、次いで、乾燥物を
、アルミナをα−相に転移しかつジルコニアを正方晶相
に転移するのに十分な温度および時間か焼する ことを含むゾル−ゲル法によって製造される請求項1に
記載の複合粉末。 - 12.(A)点で請求項1に記載の繊維、フィラメント
またはホイスカー量に対応する量の繊維、フィラメント
またはホイスカー分散液を加えることを更に含む方法に
よって製造される、請求項11に記載の複合粉末。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT19431A/87 | 1987-02-20 | ||
IT19431/87A IT1202571B (it) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | Compositi a base di allumina ronforzata con zirconia e con whiskers |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS643064A JPS643064A (en) | 1989-01-06 |
JPH013064A true JPH013064A (ja) | 1989-01-06 |
Family
ID=
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