JPH02229759A

JPH02229759A - Ａｌ↓２Ｏ↓３―ＺｒＯ↓２系セラミックスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH02229759A
Application number: JP1050915A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kihara; 正浩木原; Akihiro Tokuda; 章博徳田; Toru Tsurumi; 徹鶴見
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1989-03-01
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1990-09-12

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。

Description

【発明の詳細な説明】？産業上の利用分野）この発明は、ポンプ、軸受、切削工具等、強度と硬度と
が特に要求される部材の構成材料として好適なＡｔ２Ｏ
３−ＺｒＯ２系セラミックスおよびその製造方法に関す
る。

（従来の技術）Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、それにＺｒＯ■を分散せしめ
てなるセラミックスは、各種のセラミックスのなかでも
比較的高強度、高硬度であることから、ポンプ、軸受、
切削工具等、強度と硬度とが特に要求される部材の構成
材料として注目されている。

さて、そのような用途においては、当然、強度ができる
だけ高いほうがよく、そのため、たとえば特公昭５９−
２４７５１号発明は、Ａ　ｌ　２　０　３中に平均粒径
が０．１〜１．５μｍの比較的小さなＺｒＯ２粒子を分
散させて、そのＺｒＯ２の、正方晶から単斜晶への応力
誘起変態を利用して強度を向上させることを提案してい
る。また、このとき、ＺｒＯ２の正方晶構造を安定化さ
せるためにＹ２Ｏ３を添加することも行われている。

しかしながら、かかる方法は、１６００℃以下の比較的
低温での焼結では緻密化が十分に行われず、大きな欠陥
が残存するようになって強度はそれほど向上しない。Ｚ
ｒＯ２が焼結性を低下させる作用をもっているからであ
る。密度を上げるためには焼結温度を高くすればよいが
、そうすると、こんどはＺｒＯ２の結晶粒が大きく成長
し、臨界粒径を超えると焼結後の冷却過程で正方晶から
単斜晶への変態が促進されて、十分な応力誘起変態作用
を期待できなくなってしまう。

したがって、強度、硬度等の機械的性質に優れたＡ　ｌ
２Ｏ３−Ｚ　ｒｏ２系セラミックスの製造は、従来、比
較的低温でのホットプレス法か、ＨＩＰ法（熱間静水圧
加圧処理法）によらざるを得なかった。しかしながら、
これらの方法は装置が大がかりになり、製造コストが高
くなるのは避けられない。

（発明が解決しようとする課題）この発明の目的は、上述した問題点を解決し、？度や硬
度等の機械的性質に優れたＡｌ２Ｏ３−Ｚｒ０２系セラ
ミックスと、そのようなセラミックスを低コストで製造
する方法を提供するにある。

（課題を解決するための手段）上記の目的は、Ａ１■０３を主成分とし、ＺｒＯ■を１
０〜３０重量％含み、ＡｌＮｂＯ４を０．０７〜３．５
重量％含み、かつ、ＺｒＯ２には１．５〜５．０モル％
のＹ　２　０　３が固溶していることを特徴とするＡｌ
２Ｏ３−ＺｒＯ２系セラミックスによって達成される。

この発明において、ＺｒＯ２、ＡｌＮｂＯ４およびＹ２
Ｏ３の量は、セラミックスを元素分析して得たＺｒＳＮ
ｂおよびＹの量をそれぞれ上記の酸化物に換算して求め
る。したがって、セラミックス中における上記各酸化物
の量は、それぞれ製造時に添加するＺ　ｒ　０２　、Ｙ
２　０３およびＮｂ２Ｏ，の量と数値的には同じである
。ここで、セラミックス中におけるＡｌＮｂＯ４の存在
は、セラミックスを粉末にし、粉末Ｘ線回折法を用いて
分析したとき、２θ＝２５．　２゜にＡｌＮｂＯ４の（
１　０　２）面の回折ピークが現われるか否かで確認す
る。

上記のＡ　１２　０３　−Ｚ　ｒ０２系セラミックスは
、Ａｌ２Ｏ３粉末にＮｂ２Ｏ，粉末をＡｌＮｂＯ４とし
て０．０７〜３．５重量％になるように添加、混合した
後、その混合粉末を１０００〜１３００℃で仮焼し、そ
の仮焼粉末にＹ　２　０　３を１．５〜５．０モル％含
むＺｒＯ２粉末を１０〜３０重量％添加、混合し、粉砕
し、成形した後、その成形体を１３００〜１６００℃で
焼結することによって製造することができる。

この発明を詳細に説明するに、この発明においては、ま
ず、主成分たるＡｌ２Ｏ３粉末にＮｂ２Ｏ，の粉末をＡ
ｌＮｂＯ４として０．０７〜３．５重量％になるように
添加し、よく混合する。混合操作は、湿式でも乾式でも
よく、ボールミル等を用いて行い、混合操作が終了した
後は、必要に応じて乾燥し、粗粉砕する。

Ｎｂ２Ｏ，は、焼結過程において緻密化を促進する作用
をもつ。そうじて、Ｎｂ２Ｏ５は主とし？Ａｌ２Ｏ３と
反応してＡｌＮｂＯ４を生成し、Ａ１■０３中に分散す
る。一部のＮｂ２Ｏ５は、正方晶のＺｒＯ，に固溶する
。このような作用を十分に行わせるために、Ｎｂ２Ｏ，
の添加量は、上述したようにＡｌＮｂＯ４として０．０
７〜３．５重量％の範囲でなければならない。０．０７
重量％未満では緻密化作用をほとんど期待できなくなり
、また、３．５重量％を超えると後の焼結工程でＺｒＯ
２と反応してＺｒＮｂ２Ｏ７を生成し、得られるセラミ
ックスの強度や硬度が大きく低下するようになる。

さて、この発明においては、次に、上記混合粉末を仮焼
する。この仮焼によって、Ａｌ２Ｏ３とＮ　ｂ　２　０
　５とが反応してＡｌＮｂＯ４を生成し、このＡｌＮｂ
Ｏ４が緻密化を促進するとともに、後の焼結工程でＺｒ
Ｏ２とＮｂ２Ｏ，とが反応するのを抑制するようになる
。

仮焼温度は、１０００〜１５００℃の範囲で選定しなけ
ればならない。１０００℃未満ではＡｌＮｂＯ４が生成
せず、Ａｌ２Ｏ３とＮｂ２Ｏ５とが独立して存在するよ
うになって後の焼結工程で多くのＮｂ２Ｏ，がＺｒＯ２
中に固溶してしまい、緻密化が期待できなくなる。一方
、１５００℃を超えると、仮焼粉末の一次粒径が大きく
なって焼結工程での焼結性が低下し、得られるセラミッ
クスの強度や硬度が大きく低下するようになる。

この発明は、次に、上記仮焼粉末に、Ｙ２Ｏ３を１．５
〜５．０モル％の範囲で含むＺｒＯ２粉末を１０〜３０
重量％の範囲で添加し、混合し、粉砕する。この混合操
作もまた、湿式でも乾式でもよい。

Ｙ２Ｏ３を含むジルコニア粉末は、共沈法等の周知の方
法によって製造することができる。たとえば、ＺｒＯＣ
１２　＊８Ｈ２ＯとＹＣＬ３とを用い、それらの水溶液
を混合し、その混合溶液にアンモニア水を添加して水酸
化物を共沈させ、沈殿物を水洗し、乾燥した後、８００
〜１０００℃程度で仮焼することによって製造すること
ができる。

Ｙ２Ｏ３は、ＺｒＯ２の結晶構造を正方晶にするととも
に、その正方晶を安定化させてセラミックス中に準安定
な状態で存在するようにし、セラミックスに応力が作用
したときの正方晶から単斜晶への応力誘起変態によって
セラミックスの強度や硬度を向上させるように作用する
。そのためには、Ｙ２Ｏ３の量は上述したように１．５
〜５．０モル％の範囲でなければならない。Ｙ２Ｏ３が
この範囲にあるとき、大部分の、あるいは、ほとんどす
べてのＺｒＯ２を正方晶とすることができるようになる
。

一方、ＺｒＯ２の量は、１０〜３０重量％の範囲でなけ
ればならない。１０重量％未満では、応力誘起変態によ
る強度の向上効果が期待できない。

また、３０重量％を超えると、セラミックスの硬度が著
しく低下してくる。また、ＺｒＯ２の凝集が生ずるため
に、優れた性質をもつセラミックスが得られなくなる。

ところで、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２およびＹ
２Ｏ３の各粉末の平均粒径や純度は、焼結工程での焼結
性や、得られるセラミックスの密度や、強度、硬度等の
機械的性質に影響を与える。

焼結性をよくするために、上記各粉末は、平均粒径が１
μｍ以下のものを用いるのが好ましい。また、不純物に
よる結晶粒の異常成長を防止し、密度や、強度、硬度等
の機械的性質を向上させるために、純度が９９．９％以
上であるものを使用するのが好ましい。

さて、この発明は、次に、上記混合粉末を所望の形状に
成形する。この成形には、周知の金型成形法やラバープ
レス法等を用いることができる。

次に、成形体を焼結してセラミックスとする。

焼結は、大気中等、酸化性雰囲気下で行う。焼結温度は
、１３００〜１６００℃でなければならない。１３００
°Ｃ未満では、密度が上がらず、強度や硬度が低くなる
。一方、１６００℃を超えると、Ａｌ２Ｏ３やＺｒＯ２
の平均粒径が大きくなりすぎ、やはり強度や硬度が極端
に低下してくる。

この発明のセラミックスは、強度や硬度がより高いとい
う理由で、ＺｒＯ２の平均粒径が０．０５〜２．０μｍ
であるのが好ましい。さらに好ましい平均粒径は、０．
１〜１．５μｍである。

？実施例および比較例）平均粒径が０．２５μｍで、純度が９９．９９％である
Ａｌ２Ｏ３粉末と、平均粒径が０．７５μｍで、純度が
９９．９％であるＮｂ２Ｏ，粉末とを、Ｎｂ２Ｏ５粉末
がＡｌＮｂＯ４として表に示す量になるように、ボール
ミルを用いて２４時間湿式混合した後、乾燥し、粗粉砕
して、混合粉末を得た。

次に、上記混合粉末を１０００℃で２時間仮焼し、その
仮焼粉末に、表に示す量のＹ２Ｏ３を含み、平均粒径が
０．６１μｍであるＺｒＯｚを表に示す割合で添加し、
ボールミルで２４時間湿式混合した後、ポリビニルアル
コールを加えて噴霧、造粒、乾燥した。Ｙ２Ｏ３を含む
ＺｒＯ■粉末は、ＺｒＯＣｌ２　”８Ｈ２　０の水溶液
にＹＣＬ３の水溶液をＹ２Ｏ，換算で表に示す割合にな
るように加えて混合し、その混合溶液にアンモニア水を
添加して水酸化物を共沈させ、沈殿物を水洗し、乾燥し
た後、１０００°Ｃで仮焼することによって準備した。

次に、上記混合粉末を、金型を用いて、長さ４０　ｍｍ
，幅５　ｍｍ，高さ４ｍｍの直方体の形状に成形した。

このとき、成形圧力は１．　　Ｏｋｇｆ　／ｃｍ２とし
た。

次に、上記成形体を、大気中にて、表に示す温度で２時
間焼結し、合計２１種類のセラミックスを得た。

次に、上記各セラミックスについて、密度と、ＺｒＯ２
の平均粒径と、曲げ強度と、ビッカース硬度とを求めた
。密度は、式、ｐ＝　　［ｍｔ　　／　　（ｍ　１　　　ｍ　２　）　
　コ　×　ｄただし、ρ　：セラミックスの密度ｍ１　：乾燥状態におけるセラミックスの重量ｍ２　：水中におけるセラミックスの重量ｄ　二水の密度から求めた。また、ＺｒＯ２の平均粒径は、セラミック
スを鏡面研磨した後エッチングし、そのエッチング面の
顕微鏡写真について、いくつかの方向に粒子の最大長さ
を求め、その最大長さの単純平均値として求めた。さら
に、曲げ強度は、ＩｔｓＲ　ｌ６０１に基き、セラミッ
クスを加工して、１０本の、幅４　ｍｍ，長さ４０ｍｍ
，厚み３＋ｎｍの試験片を作り、その試験片について、
スパン３０ｍｍ，クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分
の条件で３点曲げ試験を行い、単純平均値として求めた
。さらにまた、ビッカース硬度は、ビッカース硬度計を
用い、圧子圧入荷重を１０ｋｇｆとして５点ほど測定し
、その単純平均値として求めた。測定結果を表に示す。

？から、この発明のもの（Ｎα１〜１２）は、この発明
が規定する要件を見たしていないもの（Ｎα１３〜２１
）にくらべて、低温での焼結でも緻密なセラミックスが
得られ、強度や硬度といった機械的性質が優れているこ
とがわかる。

（発明の効果）この発明は、Ａｌ２Ｏ３粉末に、Ｎｂ２Ｏ，粉末をＡｌ
ＮｂＯ４として０．０７〜３．５重量％になるように添
加、混合した後、その混合粉末を１０００〜１３００℃
で仮焼し、その仮焼粉末にＹ２Ｏ３を１．５〜５、０モ
ル％含むｚｒＯ２粉末を１０〜３０重量％添加、混合し
、粉砕し、成形した後、その成形体を１３００〜１６０
０℃で焼結することによって、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし
、ＺｒＯ■を１０〜３０重量％含み、ＡｌＮｂＯ４を０
．０７〜３．５重量％含み、かつ、ＺｒＯ２には１．５
〜５．０モル％のＹ２Ｏ，が固溶しているＡｌ２Ｏ３−
ＺｒＯ２系セラミックスを得るものであり、そのセラミ
ックスは、実施例にも示したように、強度や硬度等の機
械的性質が大変優れている。しかも、比較的低温で焼結
できるうえに、ホットプレス法やＨＩＰ法等の圧密法を
使用しなくてもよいから製造コストを安くできる。

この発明のセラミックスは、強度や硬度等の機械的性質
が優れていて、耐摩耗性が優れていることから、ポンプ
、軸受、切削工具等の構成材料として大変好適である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ａｌ＿２Ｏ＿３を主成分とし、ＺｒＯ＿２を１０
〜３０重量％含み、ＡｌＮｂＯ＿４を０．０７〜３．５
重量％含み、かつ、ＺｒＯ＿２には１．５〜５．０モル
％のＹ＿２Ｏ＿３が固溶していることを特徴とするＡｌ
＿２Ｏ＿３−ＺｒＯ＿２系セラミックス。
（２）Ａｌ＿２Ｏ＿３粉末にＮｂ＿２Ｏ＿５粉末をＡｌ
ＮｂＯ＿４として０．０７〜３．５重量％になるように
添加、混合した後、その混合粉末を１０００〜１３００
℃で仮焼し、その仮焼粉末にＹ＿２Ｏ＿３を１．５〜５
．０モル％含むＺｒＯ＿２粉末を１０〜３０重量％添加
、混合し、粉砕し、成形した後、その成形体を１３００
〜１６００℃で焼結することを特徴とする、請求項（１
）記載のＡｌ＿２Ｏ＿３−ＺｒＯ＿２系セラミックスの
製造方法。