JPH04104944A

JPH04104944A - Ａｌ↓２Ｏ↓３―ＳｉＣ―ＺｒＯ↓２複合焼結体

Info

Publication number: JPH04104944A
Application number: JP2220852A
Authority: JP
Inventors: Koji Onishi; 宏司大西; Toshio Kawanami; 利夫河波; Kouichi Niihara; ▲こう▼一新原; Atsushi Nakahira; 敦中平
Original assignee: Nikkato Corp
Current assignee: Nikkato Corp
Priority date: 1990-08-21
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1992-04-07

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】本発明は、ＡＱ２０３−８　ｉ　Ｃ−Ｚ　ｒ０２複合焼
結体に関する。

従来技術とその問題点ＡＱ２Ｃｈ焼結体は、古くから耐熱部材、耐磨耗部材な
どとして広く使用されてきた。しかしながら、ＡＱ２０
３焼結体は、ＺｒＯ２焼結体、Ｓｉ３Ｎ４焼結体などに
比して、強度および靭性に劣り、また、１０００℃以上
では、高温強度が低下するために、構造材料としての用
途は限定されている。

従って、ＡＱ２０３焼結体の強度および靭性を改善する
ために、ＺｒＯ２を添加して、高温−で安定なＺｒＯ２
の正方晶を室温まで残留させ、クラック先端での応力に
よって誘起される正方晶峠単斜晶変態の約４％の体積膨
張に起因するクラック近傍の残留圧縮応力により、靭性
を改善し、強度を高める試みがなされている。しかしな
がら、この様にして得られた材料においては、ＺｒＯ□
の添加により、強度および靭性は向上するものの、硬度
がＡｇ２Ｏ３の単体焼結体よりも低下して、耐磨耗性が
低下する。また、高温では、正方晶が安定相となって、
正方晶−単斜晶への変態が生じないので、高温での強度
および靭性は、改善されない。

さらに、ＳｉＣ粒子を添加することにより、ＡＱ２０３
焼結体の強度、靭性および高度を高める試みもなされて
いるが、ＺｒＯ２を添加した場合はどには、靭性は改善
されない。

ＳｉＣ粒子に代えてＳｉＣウィスカーまたはＳｉＣウィ
スカーとＺｒＯ２とをＡＱ２０３焼結体に配合した複合
材料により、靭性に優れた材料を得る研究もなされてい
る。しかしながら、ウィスカーは、粒子に比して、ＡＱ
２０３焼結体原料への分散が困難であり、ウィスカーが
絡み合ったりする場合には、焼結体中に逆に大きな欠陥
が存在することになって、その特性が大巾に低下する。

また、ウィスカーの添加により焼結性を低下させるとい
う欠点がある。さらに、ＳｉＣウィスカーには、ＳｉＯ
２などの不純物が多量に含まれているために、焼結体中
にガラス相が多く形成され、焼結体の機械的特性、特に
高温における特性を低下させる。

問題点を解決するための手段本発明者は、上記の様な技術の現状に鑑みて鋭意研究を
重ねた結果、マトリックスとしてのＡｇ２Ｏ３中に特定
量のＳｉＣ粒子とＺｒＯ２粒子とを含有させ、ＡＱ２０
３マトリックスにＳｉＣ粒子とＺｒＯ□粒子とを均一に
分散させ、ＳｉＣ粒子とＺｒＯ２粒子とをＡＱ２０３粒
子内および粒界に存在させ、且つＳｉＣ粒子をＺｒＯ２
粒子内に存在させる場合には、室温において高い強度お
よび靭性を示すのみならず、耐熱性および耐熱衝撃性に
優れた材料が得られることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の構成を有するＡｌ２Ｏ３−
５ｉ　Ｃ−Ｚ　ｒ０２複合焼結体を提供するものである
：［Ａｇ２Ｏ３−ＳｉＣ−ＺｒＯ２複合焼結体であって、（１）ＳｉＣ粒子３〜２０容積％、（２）Ｙ２Ｏ２を２〜４モル％固溶したＺｒＯ２１〜３
０容量％、および（３）Ｙ２Ｏ３およびＭｇＯの少なくとも一種０．２〜
２容積％を含有し、（４）残余が実質的にＡｇ２Ｏ３からなり、（５）対理
論密度が９５％以上であることを特徴とするＡ９２０３−ＳｉＣ−Ｚ　ｒ０２複合
焼結体。」以下に本発明複合焼結体を構成する各成分、本発明複合
焼結体が充足すべき要件、複合焼結体の製造方法などに
ついて、詳細に説明する。

１、ＳｉＣ粒子：ノＳｉＣ粒子の含有量は、３〜２０容積％の範囲内にあり
、より好ましくは５〜１５容積％の範囲内にある。Ｓｉ
Ｃ粒子の含有量が３容積％未満の場合には、複合焼結体
のクラック防止効果が不十分となり、また強度および靭
性改善の効果も余り発揮されず、高温特性も低下する。

これに対し、ＳｉＣ粒子の含有量が２０容積％を上回る
場合には、焼結性が低下するとともに、ＳｉＣ粒子が連
続相を形成して、耐熱性が低下する。

焼結体中に存在するＳｉＣ粒子は、粒径・１μｍ以下で
あることが好ましく、０８７μｍ以下であることがより
好ましい。ＳｉＣ粒子が大きい場合には、特にＡ２２０
３粒子の粒界に存在するＳｉＣ粒子が破壊源となりやす
く、複合焼結体の機械的特性を低下させる。

ＳｉＣ粒子は、α−型、β−型のいずれであっても良く
、形状としては、粒状若しくは板状である。

ＩＩ−Ｙ２０３を固溶したＺｒＯ２粒子：Ｙ２Ｏ３を２
〜４モル％３より好ましくは２．５〜３．５モル％）固
溶したＺｒＯ２粒子の含有量は、１〜３０容積％の範囲
にあるこ乏が好ましい。

Ｙ２Ｏ３の固溶量が２モル％未満の場合には、複合焼結
体中でのＺｒＯ２正方晶０維持が不安定と′Ｃす、単斜
晶の量が増加し、て、焼結体の特性が低下する１、これ
に対（７、Ｙ２Ｏ３の固溶量が４モル％を１回る場合に
は、複合焼結体中での立方晶の量が増大して、変態強度
が低下する。

ｚ、０２粒子の含有量は、１・〜３０容積％の範囲内に
ある。

ＺｒＯ１粒子の含有量が１容積％未満の場合には、その
添加による強度および靭性の白玉という効果の改善が十
分に奏されないのに対【７．３０容積％を超える場合に
は、硬反が低下するのみならず、高温特性も低下する。

複合焼結体中（、二存在するＺｒＯ□粒子は、結晶粒子
径が３μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であ
ることが上り好ましい。ＺｒＯ２結晶粒子径が粗大とな
る場合には、焼成後の冷却中に正方晶の殆ど全てが単斜
晶ζ、−変態し７て、焼結体中にマイクロクラ・・ｌり
が多数形成されるので、焼結体の強度および靭性が低下
する。特定量のＹ２Ｏ３を固溶し且−つＺｒＯ□結晶粒
子径が３μｍ以下である複合焼結体では、ＺｒＯ□結晶
相は、主として正方晶からなっている。

ｍ、Ｙ２０３およびＭｇＯの少なくとも一種：Ｙ２Ｏ３
およびＭｇＯの少なくとも一種の含有量は、０，２〜２
容積％の範囲内にある。これらの添加成分は、焼結性を
改善させるのみならず、ＡＱ２０３粒子νつ微構造の制
御に効果を発揮する。

すなわち、これらｃつ添加成分は、マトリックスである
Ａｇ２Ｏ３粒を中に固溶体或いは化合物を形成させるこ
とにより、結晶粒子の粒径を抑制して、高温での特性低
下を防止する作用がある。さらに、焼結時にＡＱ２０３
粒子とＳｉＣ粒子およびＺｒＯ２粒子との粒界ならびに
ＳｉＣ粒子とＺｒＯ２粒子との粒界に存在して、粒子の
界面エネルギーを低下させ、ＳｉＣ粒子およびＺｒＯ２
粒子のＡＱ２０３粒子内およびＳｉＣ粒子のＺｒＯ２粒
子内への移動を促進する。

複合焼結体のＹ２Ｏ３およびＭｇＯの少なくとも一種の
含有量が０．　２容積％未満の場合には、焼結時にＡＱ
２０ｓ粒子の微構造の制御が十分に行なわれないのに対
し、２容積％を上回る場合には、これらとＡＱ２（ｈと
の化合物の量が増加して、複合焼結体の特性低下を招く
。

ＩＶ、　Ａｇ２Ｏ３：複合焼結体中におけるマトリックスとしてのＡｇ２Ｏ３
の量は、実質的に全体から上記Ｉ〜■成分を除いた量で
ある。

ＡＱ２０ｓの結晶粒子径は、５μｍ以下であることが好
ましい。

■、複合焼結体の対理論密度が９５％以上であること：本発明において、“対理論密度”とは、気孔の存在しな
い理想的な完全緻密焼結体の密度を理論密度とした場合
に、実際の焼結体の密度をこの理論密度に対する百分率
で表わしたものを言う。

複合焼結体の対理論密度が、９５％未満の場合には、焼
結体中に気孔が多数存在するので、強度、靭性、耐蝕性
などの特性が低下する。対理論密度は、９７％以上であ
ることがより好ましい。

■、製造方法：本発明による複合焼結体は、例えば、以下の様にして製
造される。

上記の１〜■成分の原料となる粉末材料を所定の割合で
秤量し、ボールミル、アトリションミルなどにより、湿
式粉砕混合する。粉末の粒子径は、０．５μｍ以下であ
ることが好ましく、純度は、９９％以上であることが好
ましい（ＺｒＯ２粉末の場合には、ＺｒＯ２とＹ２Ｏ３
との合量）。

なお、各原料は微細で、粉砕混合時には一次粒子レベル
まで分散混合されていることが必要である。これにより
、ＳｉＣ粒子とＺｒＯ２粒子とをＡＱ２０．粒子内に、
またＳｉＣ粒子をＺｒＯ２粒子内に存在させることがで
きる。

次いで、常法にしたがって、得られた粉砕混合物を湿式
でそのまま成形するか、或いは例えばスプレードライヤ
ーにより各粉末が分離しないように留意しつつ乾燥・造
粒し、成形した後、焼結する。

本発明の複合焼結体の製造に際しては、常圧焼結法によ
り、優れた特性の焼結体が容易に得られる。より具体的
にはｓ　Ｎ　２　、Ａ　ｒなどの不活性ガスの存在下ま
たは真空中で焼成するか、或いはこの様な雰囲気中また
は非酸化性雰囲気中でホットプレス法、ホットアイソス
タティックプレス法などで焼成を行なっても良い。焼成
条件は、１５００〜１８００℃程度で０．５〜５時間時
間色すれば良い。

発明の効果本発明による複合焼結体は、ＡＱ２０３粒子内および粒
界にＳｉＣ粒子および２１０２粒子が存在し、且つＺｒ
Ｏ２粒子内にもＳｉＣ粒子が存在する構造となっている
。従って、本発明による複合焼結体は、室温から１００
０℃以上の高温に至る広い温度域において、強度、靭性
および耐磨耗性に優れ、且つ耐熱性にも優れている。

従って、本発明による複合焼結体は、エンジン部品、ガ
スタービン部材などの高温構造用材料として、またシー
ルリング、ノズル、切削工具などの耐磨耗材料として、
有用である。

実施例以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とする
ところをより一層明確にする。

実施例１下記第１表に示す割合で各種の原料粉末をボールミルに
より２４時時間式混合した。各種原料粉末の詳細は、以
下の通りである。これらの原料粉末の純度は、全て９９
％以上であった（ＺｒＯ２の場合には、ＺｒＯ２とＹ２
Ｏ，との合量）。

＊α−ＡＱ２０３粉末・・・平均粒径０．２μｍ＊β−
ＳｉＣ粉末・・・平均粒径０．２μｍ＊Ｙ２０３固溶Ｚ
ｒＯ２−平均粒径０．　５μｍ＊Ｙ２０３　、ＭｇＯ−
・平均粒径０．　５．ｃｚｍ次いで、得られた混合スラ
リーをスプレードライヤーにて乾燥・造粒し、成形し、
所定の温度で所定の方式により焼結して、５０ａｍＸ５
０ｍｍＸ４關の板状複合焼結体を得た。

なお、第１表に示す焼結条件中の記号は、それぞれ以下
の方法を意味する。

＊ＨＰ・・・カーボン型を使用して２００　）ｃｇ　ｆ
　／　ｃ−でホットプレス焼結＊　Ｎ　Ｓ　・２０００　ｋｇ　ｆ　／　ｃ−でＣＩＰ
により成形し、Ａｒ雰囲気中で常圧焼結得られた複合焼結体をＸ線回折に供したところ、その組
成は、原料組成と同一であることが確認された。

また、得られた複合焼結体のＪＩＳ−Ｒ−１６０１によ
る３点曲げ強さ（σ）測定結果およびＭｌ法による靭性
値（Ｋｌｃ）の測定結果を第２表に示す。

第２表に示す結果から明らかな様に、本発明によるＡｌ
２Ｏ３−８ｉ　Ｃ−Ｚ　ｒ０２複合焼結体は、室温での
３点曲げ強さが８０ｋｇｆ／ｍｒｒ？以上、１２００℃
での３点曲げ強さが３５ｋｇｆ／ｍｒｒｒ以上、且つ靭
性値が５ＭＰａＪ石と高強度且つ高靭性を示す。

これに対し、構成成分の量が本発明の範囲外となってい
る焼結体試料９〜１６では、強度、靭性および高温強度
の少なくとも１つの特性が、低いものとなっている。

参考例１実施例１の試料Ｎｏ、２と同様にして得た本発明複合焼
結体試料の断面の走査型電子顕微鏡写真を参考図−１と
して示し、それを模式化したものを第１図として示す。

参考図−１および第１図から明らかなように、ＡＱ２０
ｓ粒子内および粒界にＳｉＣ粒子およびＺｒＯ２粒子が
存在し、同時にＺｒＯ２粒子内にもＳｉＣ粒子が存在し
ている。

従って、ＳｉＣ粒子およびＺｒＯ２粒子の存在により、
ＡＱ２０３粒子が補強されるだけではなく、ＳｉＣ粒子
およびＺｒＯ２粒子も熱膨脹差による歪みにより、強化
される。また、−ＺｒＯ２粒子内にＳｉＣ粒子が存在す
ることにより、ＺｒＯ２粒子も強化される。

複合焼結体のこの様な微構造により、複合焼結体の低温
での強度、靭性などの機械的特性を改善し得るだけでな
く、従来低温域でしか発現されなかったＺｒＯ□の正方
晶から単斜晶への変態による強虜を高温まで維持させ得
ることが判明した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明複合焼結体試料の断面を模式化１−で
示す図面である。（以　上）

Claims

【特許請求の範囲】１　Ａｌ＿２Ｏ＿３−ＳｉＣ−ＺｒＯ＿２複合焼結体で
あって、（１）ＳｉＣ粒子３〜２０容積％、（２）Ｙ＿２Ｏ＿３を２〜４モル％固溶したＺｒＯ＿２
１〜３０容量％、および（３）Ｙ＿２Ｏ＿３およびＭｇＯの少なくとも一種０．
２〜２容積％を含有し、（４）残余が実質的にＡｌ＿２Ｏ＿３からなり、（５）対理論密度が９５％以上であることを特徴とする
Ａｌ＿２Ｏ＿３−ＳｉＣ−ＺｒＯ＿２複合焼結体。