JPH04160053A

JPH04160053A - 耐摩耗性アルミナージルコニア焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04160053A
Application number: JP2285436A
Authority: JP
Inventors: Koji Fushimi; 伏見　幸治; Muneyuki Iwabuchi; 宗之岩渕
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-10-22
Filing date: 1990-10-22
Publication date: 1992-06-03
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: JPH0813701B2

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）本発明は、高強度、高靭性のアルミナ−ジルコニア焼結
体およびその製造方法に関するもので、特に耐摩耗性が
要求されるセラミック部品に利用されるアルミナ−ジル
コニア焼結体およびその製造方法に関する。

（従来の技術）従来より、セラミック材料は脆性材料であるものの耐熱
性、耐摩耗性、耐食性に優れていることから、エンジン
部品、ポンプ部品、切削工具、軸受、薬品反応槽等の広
い分野で利用されている。

特に、押出機のスクリューやプラストノズルのような耐
摩耗性が要求されるセラミック部品には、ジルコニアセ
ラミックスやアルミナセラミックスが用いられている。

しかし、ジルコニアセラミックスは高強度、高靭性であ
るものの、価格がアルミナの約１０倍と非常に高（、ま
た使用温度が２００℃を超えると正方晶と単、斜相の相
変態を起こしやすく、強度低下の原因となるなど、工業
的に使用するには未解決の問題が多い。

また、工業的に使用されているアルミナセラミックスは
純度が９２〜９８％程度でジルコニアセラミックスに比
べ安価であるものの、強度、靭性の特性が低（、耐摩耗
材としては満足できるものではなかった。

そこでセラミック材料に異種のセラミック材料を添加す
ることにより、各々のもつ特性が加味されて全体的な特
性を向上させる複合材料の研究も進められている。

例えば、特開平１−１５７４６１号公報には、切削工具
あるいは高温用材料として有用なアルミナにジルコニア
を添加することにより、破壊靭性値（Ｋ　ｉ　Ｃ）が４
．２〜５．０ＭＮ／ｍ””　、抗折強度９０〜１４５　
ｋｇ／ｍｍ”の高アルミナ質焼結体とその製造方法が開
示されている。

特開平１−１５．７４６１号公報に示す高アルミナ質焼
結体は、アルミナ粉末と安定化剤が添加されていないＺ
　ｒ　Ｏｘとを微粉砕し、活性化させた後、１５００℃
以下の温度で予備焼結し、等方静水圧プレス（ＨＩＰ）
処理することにより０．　１〜１．ＯＬＬｍのアルミナ
結晶と０．１〜０．５μｍの立方晶と正方晶の中間的結
晶相のＺ　ｒ　０２が構成されるものである。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、この特開平１−１５７４６１号公報によ
る高アルミナ質焼結体によると、高強度、高靭性のセラ
ミック体であるが、耐摩耗性が充分に高くなく、微細に
粉砕したり予備焼結後ＨＩＰ処理が必要となるため製造
コストが高いことやＨＩＰ処理を必要とするので製品形
状が限定されること等から、押出様のスクリューやプラ
ストノズル、粉砕機、混合様のように耐摩耗性が要求さ
れるセラミック部品に用い、工業的な利用を図ることが
困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされた
もので、高硬度、高強度、高靭性でありかつ安価に製造
可能な耐摩耗性アルミナ−ジルコニア焼結体およびその
製造方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）そのために、本発明の第１の発明による耐摩耗性アルミ
ナ−ジルコニア焼結体は、組成として、Ａ　Ａ　ｚ　Ｏ
ｓ　：　５０〜９５　Ｗ　ｔ％、準安定化Ｚｒ０ｔ　　
：　５〜５０　ｗ　ｔ％、および前記ＡＪ２．Ｏ，と前
記準安定化ＺｒＯ，の総量１００重量部に対しＴｉＯ□
　：０．０５〜１．０重量部を含み、焼結体の結晶の平
均粒径が１．０〜４．０μｍであることを特徴とする。

本発明の第２の発明による耐摩耗性アルミナ−ジルコニ
ア焼結体の製造方法は、組成として、Ａ１２０ｓ　　：
５０〜９５ｗｔ％、準安定化ＺｒＯ＊：５〜５０ｗｔ％
、および前記Ａβ２０３と前記準安定化Ｚ　ｒ　Ｏ＊の
総量１００重量部に対しＴｉＯ□　：０．０５〜１．０
重量部からなる粉末原料を、混合、乾燥、成形後、温度
１５５０〜１６５０℃で焼成することを特徴とする。

ここで、Ｚ　ｒ　Ｏ２粉末は、例えばオキシ塩化ジルコ
ニウムにＹ２Ｏ３として２〜４ｍｏρ％さらに好ましく
は３ｍｏｎ％Ｙ２０．に相当する塩化イツトリウムを添
加しＮａＯＨにより共沈した混合物を７５０〜８５０℃
で仮焼し、７０％以上の正方晶からなる７、　ｒ　Ｏｚ
粉末を用いるのが好ましい。

上記組成のＺｒＯ□粉末を製造する際、仮焼温度を高く
するとほとんど正方晶ジルコニアとなるが、仮焼温度が
高温すぎると、原料粒子の焼結が起こり結晶粒子が大き
くなり、アルミナ粉末中に均一分散ができな（なるため
焼結温度は７５０〜８５０℃とした。

Ｔ　ｉ　Ｏｘを用いたのは、焼結助剤として作用し、Ｚ
ｒＯ□に固溶することなく正方品を保持することで、曲
げ強度を高められるためである。通常のアルミナ−ジル
コニア焼結体の焼結助剤としてＭｇｏ、’Ｙｉ　Ｏｘ　
、Ｃａ０ｚ等が知られテイルが、これらの物質は、Ｚ　
ｒ　Ｏ２に固溶し易く、焼結助剤の作用が低下し、焼結
温度の上昇や、助剤の増加等を必要としたり、これらの
助剤がＺｒＯ□に固溶すると部分安定化ｚｒＯ２を形成
し、強度靭性の低下の原因となるので不適である。

（実施例）以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の実施例によるアルミナ−ジルコニア焼結体の製
造方法は、母材としてのＡｌ２．Ｏ，、Ｚｒ　Ｏ＊　％
およびＴｉ　Ｏ２に成形助剤としてポリアクリル酸ＮＨ
４、エステル油脂エマールジョンを添加し、この混合物
を乾燥し、金型プレスおよびラバープレス処理を行った
後、焼成するものである。

まず、昭和電工製ＡＬ−１６０ＳＧ−３の平均粒径０．
５μｍのアルミナ原料粉末と、東洋ソーダ製の８００℃
で仮焼した正方晶８０％の３ｍ。

ρ％Ｙ、０．添加ジルコニア（以下、ｒ３Ｙ−Ｚｒｏｘ
Ｊと記す。）と、６原産業製の平均粒径０．２μｍのＴ
ｉＯ□粉末を第１表に示す割合に合計５００ｇになるよ
うに混合した。

この合計５００ｇの母材に対して、成形助剤としてポリ
アクリル酸ＮＨ４１，０ｗｔ％、エステル油脂エマール
ジョン０．５ｗｔ％を添加し、５００ｇポリポットで２
４時間混合した。得られた混合物を乾燥後、デシンタで
解砕した。次に２００　ｋｇ／ｃｍ”の圧力で金型ブレ
スを行ない６０Ｘ６０Ｘ７ｍｍの角板を作成した。この
角板を、２，５ｔｏｎ／ｃｍ”でラバープレスした後、
大気雰囲気焼成炉中で１４５０〜１７００℃の温度で焼
成した。

ここにアルミナ−ジルコニア焼結体の製造に使用したＡ
ｌ２ｚ　Ｏｘ　、３Ｙ　　Ｚｒ０ｚ　、Ｔｉ０ｚの混合
割合ならびに焼成温度を第１表に示す。

（以下、余白。）得られた焼結体について四点曲げ強度、破壊靭性値（Ｋ
、Ｃ）、耐摩耗深さ、焼結体粒径を測定した。ここに、
四点曲げ強度は［ファインセラミックスの曲げ強度試験
法Ｊ　　（ＪＩＳ規格Ｒ−１６０１）、破壊靭性値はシ
ェブロエノッチ法、耐摩耗深さはサンド・ブラストによ
る耐摩耗試験、焼結体粒径は電子走査顕微鏡（ＳＥＭ）
に従って測定した。結果は第１表に示す。

なお、サンド・ブラストによる耐摩耗試験の条件はブラ
スト材：ＳｉＣ＃６０、距離：１ｍ、噴射角度：垂直、
噴射圧カニ　５ｋｇｆ／ｃｍ”　、噴射時間：３分であ
った。また摩耗量は輪郭形状測定機により摩耗の最も激
しい位置の深さを測定した。

実施例１〜７においては、３Ｙ　　ＺｒＯ２の量を５〜
５０ｗｔ％の範囲で変化させたものであり、３Ｙ−Ｚｒ
Ｏ□が増加するに従い第１図および第２図に示すように
曲げ強度は５２〜９０　Ｋｇｆ／ｍｍ２、破壊靭性値（
Ｋｌｃ）は４．５〜５．９ＭＮ／ｍ””と上昇する。し
かし、耐摩耗性は第３図からも明らかであるが、実施例
３および実施例４にあるように３　Ｙ　−Ｚ　ｒ　Ｏｚ
が１５〜２０ｗｔ％の場合が摩耗深さが小さ（特に良好
である。

実施例８〜１３においては、３Ｙ　　ＺｒＣ）ｚの含有
量を一定にし、焼結助剤として添加するＴｉＯ□を０．
０５〜１．０ｗｔ％の範囲で変化させたものである。Ｔ
　ｉ　Ｏ２が０．０５ｗｔ％未満では焼結促進がされず
、また１、０ｗｔ％を超えると曲げ強度が低下する。第
４図〜第６図に示されるように、実施例９〜１２のよう
にＴｉ０ｚが０．２〜０．８ｗｔ％含有される場合、曲
げ強度、破壊靭性、耐摩耗性の優れたアルミナ−ジルコ
ニア焼結体が得られる。

実施例１４〜１６はＡｌ２２０ｓ　、３Ｙ−ＺｒＯ２お
よびＴ　ｉ　０２の含有量を一定にし、焼成温度を１５
００〜１６５０℃の範囲で変化させたものである。実施
例１５．１６にみられるように、１５５０〜１６５０℃
の場合が最も良好である。１５００℃未満では焼結不十
分で曲げ強度は低い。

１６５０℃を超えると、結晶粒が成長し曲げ強度は低下
する。

なお実施例１〜１６においてＸ線回折の結果Ｚｒ　Ｏ２
は全て正方晶であった。また２５０℃×５０時間のオー
トクレーブ試験（正方品から単斜晶への加速度試験）後
の曲げ強度試験の低下率は５０％以内であった。

これに対し、比較例１および比較例２は、曲げ強度、破
壊靭性値、耐摩耗深さが劣る。これは、３Ｙ　　Ｚｒ０
ｚの添加量が少ないためであると考えられる。

比較例３および比較例４は、曲げ強度、破壊靭性値、耐
摩耗深さについては比較的良好であるが、３Ｙ　　Ｚｒ
０ｚを多量に必要とするため高コストとなる欠点がある
。

比較例５および比較例６は、曲げ強度および破壊靭性値
が劣る。これは比較例５ではＴ　ｉ　０２の添加量が過
多であるものと考えられ、また比較例６では焼成温度が
低過ぎることが原因であると考えられる。

比較例７は耐摩耗深さが低い。これは焼成温度が高すぎ
たことが１つの原因であると考えられる。

比較例８は充分に高い曲げ強度が得られるが、耐摩耗深
さが低下する。また比較例９は曲げ強度および破壊靭性
値が相対的に劣る。これらの比較例８および比較例９は
、母材成分が１つの原因であるものと考えられる。

以上の試験結果により、３Ｙ　　Ｚｒ０ｚが５〜５０ｗ
ｔ％、Ａｆｉ、　Ｏ，が５０〜９５ｗｔ％、Ｔｉ０ｉが
０．０５〜１．０ｗｔ％の割合で原料粉末を混合し、１
５００〜１６５０℃で焼成した場合、焼結体の結晶の平
均粒径が１〜４μｍの範囲の焼結体が得られると、高強
度、高靭性、かつ耐摩耗性に優れたアルミナ−ジルコニ
ア焼結体が得られることが解った。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の耐摩耗性アルミナ−ジル
コニア焼結体およびその製造方法によると、特別な粉砕
機やＨＩＰ焼成炉等を必要とせずに、安価に製造可能な
、高強度、高靭性でかつ耐摩耗性に優れたアルミナ−ジ
ルコニア焼結体を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はＺ　ｒ　Ｏを添加量と曲げ強度の関係を示す特
性図、第２図はＺ　ｒ　Ｏ２添加量と破壊靭性値の関係
を示す特性図、第３図はＺ　ｒ　Ｏ２添加量と摩耗深さ
の関係を示す特性図、第４図はＴｉＯ□添加量と曲げ強
度との関係を示す特性図、第５図はＴｉＯ□添加量と破
壊靭性値の関係を示す特性図、第６図はＴｉＱ、添加量
と摩耗深さの関係を示す特性図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）組成として、Ａｌ＿２Ｏ＿３：５０〜９５ｗｔ％、準安定化ＺｒＯ＿２：５〜５０ｗｔ％、および前記Ａｌ
＿２Ｏ＿３と前記準安定化ＺｒＯ＿２の総量１００重量
部に対し、ＴｉＯ＿２：０．０５〜１．０重量部を含み、焼結体の
結晶粒の平均粒径が１．０〜４．０μｍであることを特
徴とする耐摩耗性アルミナ−ジルコニア焼結体。
（２）組成として、Ａｌ＿２Ｏ＿３：５０〜９５ｗｔ％、準安定化ＺｒＯ＿２：５〜５０ｗｔ％、および前記Ａｌ
＿２Ｏ＿３と前記準安定化ＺｒＯ＿２の総量１００重量
部に対し、ＴｉＯ＿２：０．０５〜１．０重量部からなる粉末原料
を、混合、乾燥、成形後、温度１５５０〜１６５０℃で
焼成することを特徴とするアルミナ−ジルコニア焼結体
の製造方法。