JPH04275977A - 高強度アルミナージルコニア系セラミックス刃物 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強度、靭性、硬度など
に優れたアルミナ−ジルコニア系セラミックス焼結体か
らなる工業用および民生用刃物に関する。なお、本願明
細書の以下の記載において、単に“％”および“部”と
あるのは、それぞれ“重量％”および“重量部”を意味
する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】従来から刃物用セラミックス
としては、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３
−ＺｒＯ２などが知られている。これ等の材料で作った
刃物は、炭素鋼、高速度鋼、合金工具鋼などで作られた
金属刃物に比して、硬度、耐摩耗性などに優れ、耐久性
が大巾に改善されている。

【０００３】しかしながら、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｚ
ｒＯ２からなる刃物においては、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２か
らなる刃物に比して、アルミナの存在により、硬度およ
び強度が高くなり、耐久性が改善されるものの、刃付け
加工時にアルミナ粒子の脱落を生じて、鋭角の刃が形成
されない場合がある。耐久性の点では、従来の金属刃物
に比して、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２製刃物で２〜１０倍程度
、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２製刃物で５〜２０倍
程度と向上しているが、最近ではさらにより高度の耐久
性が要求されており、この要求に応えることが困難とな
って来ている。

【０００４】

【問題点を解決するための手段】本発明者は、上記の如
き技術の現状に鑑みて研究を進めた結果、ジルコニアと
アルミナの複合セラミックス焼結体において、焼結体中
の両者の配合比、アルミナおよびジルコニア結晶粒子の
粒子径、ジルコニア結晶の結晶形、ジルコニア粒子の微
構造、ジルコニア−アルミナの粒界強化、ジルコニアお
よびアルミナ粒子への残留応力などを制御し、且つ両結
晶を均一に分散させるの場合には、高強度且つ高硬度で
あり、使用時に粒子脱落による刃こぼれのない耐久性に
優れた刃物を形成し得るアルミナ−ジルコニア系セラミ
ックス焼結体が得られることを見出した。

【０００５】すなわち、本発明は、下記のアルミナ−ジ
ルコニア系セラミックス焼結体からなる刃物を提供する
ものである：「Ｙ２Ｏ３を１．５〜４．５モル％含有す
るＺｒＯ２９５〜３０重量％とＡｌ２Ｏ３５〜７０重量
％とからなるアルミナ−ジルコニア系セラミックス焼結
体からなる刃物であって、 （ａ）焼結体中に平均粒子径０．３μｍ以下のＺｒＯ２
結晶粒子および平均粒子径２μｍ以下のＡｌ２Ｏ３結晶
粒子が均一に分散されており、 （ｂ）焼結体中のＺｒＯ２結晶相が主として正方晶から
なっており、 （ｃ）Ａｌ２Ｏ３含有量と室温での曲げ強度とが下記の
関係にある高強度アルミナ−ジルコニア系セラミックス
焼結体からなることを特徴とする高強度アルミナ−ジル
コニア系セラミックス刃物：

【０００６】本発明によるＺｒＯ２−Ａｌ２Ｏ３焼結体
からなる刃物においては、ＺｒＯ２とＡｌ２Ｏ３との割
合を前者が９５〜３０％で、後者が５〜７０％となるよ
うにする。ＺｒＯ２が３０％未満の場合には、硬度の点
では満足すべきであるが、強度が不充分となり、刃物と
しての耐久性が劣る。これに対し、ＺｒＯ２が９５％を
上回る場合には、Ａｌ２Ｏ３を添加した効果が十分に発
揮されなくなる。なお、ＺｒＯ２中の安定化剤としての
Ｙ２Ｏ３の量は、通常１．５〜４．５モル％の範囲にあ
るが、ＺｒＯ２の適度の安定化、単斜晶の形成抑制など
の観点からは、１．６〜３．２モル％程度であることが
より好ましい。また、その他の安定化剤（ＭｇＯ、Ｃａ
Ｏ、Ｌａなど）を最高３モル％程度までＹ２Ｏ３と併用
しても良い。

【０００７】本発明刃物中の主として正方晶からなるＺ
ｒＯ２結晶粒子は、平均粒子径０．３μｍ以下であるこ
とを必須とする。この平均粒子径が０．３μｍを上回る
場合には、ＨＩＰ処理による効果を抑制するとともに、
ＺｒＯ２正方晶の安全性を低下させる。また、ＺｒＯ２
粒子の平均粒子径が０．３μｍを上回る場合には、刃物
使用時に粒子の脱落を生じ易くなり、耐久性を低下させ
る。ＺｒＯ２粒子は、１０％を超えない範囲で、単斜晶
および／または立方晶を含有していても良い。

【０００８】一方、本発明焼結体刃物中のＡｌ２Ｏ３結
晶粒子は、平均粒子径２μｍ以下であることを必須とす
る。この平均粒子径が２μｍを上回る場合には、原料に
由来する結晶中の欠陥が焼結体の強度向上を阻害すると
ともに、ＺｒＯ２粒子の場合と同様に、刃物使用時に粒
子の脱落を生じ易くなり、耐久性を低下させる。

【０００９】本発明によるアルミナ−ジルコニア系セラ
ミックス焼結体刃物は、Ａｌ２Ｏ３の含有量により異な
るものの、室温において、下記の如き優れた曲げ強度を
発揮する。

【００１０】本発明による焼結体刃物は、通常以下の様
にして製造される。まず、ＺｒＯ２原料粉末とＡｌ２Ｏ
３原料粉末とを所定の割合で配合した均一な原料混合物
を調製した後、所定の形状に成形する。成形方法および
条件は、公知のものと同様で良く、特に限定されないが
、通常プレス成形、ＣＩＰ成形、鋳込み成形、押出成形
、射出成形などの方法が採用される。

【００１１】本発明において原料として使用するＹ２Ｏ
３を１．５〜４．５モル％含有するＺｒＯ２の粉末は、
５〜５０ｍ２／ｇ程度の比表面積を有することが好まし
く、２０〜４０ｍ２／ｇ程度の比表面積を有することが
より好ましい。比表面積が５ｍ２／ｇ未満の場合には、
ＺｒＯ２の焼結温度が高くなり、焼結体の結晶粒径が粗
大なものとなる。この場合には、ＨＩＰ処理による効果
を抑制するとともに、ＺｒＯ２正方晶の安全性を低下さ
せるので、好ましくない。一方、比表面積が５０ｍ２／
ｇを上回る場合には、超微粉末となるため、成形が困難
となり、好ましくない。

【００１２】この際、必要ならば、原料混合物重量の１
％を超えない範囲で、焼結助剤としての作用を有するＭ
ｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎなどの遷移金属を添
加したＺｒＯ２原料粉末を使用しても良い。この焼結助
剤は、予めＺｒＯ２原料粉末に含有させておいても良い
。焼結助剤の使用量が１％を超える場合には、最終的に
得られる焼結体の強度が低下するので、好ましくない。

【００１３】本発明において他の原料として使用するａ
−Ａｌ２Ｏ３は、純品のみならず、ＭｇＯ、ＳｉＯ２な
どの少量の焼結助剤（０．０５〜１％程度）を含有する
ものをも包含する。ａ−Ａｌ２Ｏ３粉末としては、０．
５〜２０ｍ２／ｇ程度の比表面積を有することが好まし
い。比表面積が０．５ｍ２／ｇ未満の場合には、焼結温
度が高くなり、焼結体が大きなアルミナ結晶粒子により
構成されるため、前述の様にＡｌ２Ｏ３の欠陥が焼結体
の強度向上を阻害する。一方、比表面積が２０ｍ２／ｇ
を上回る場合には、ＺｒＯ２粉末の場合と同様に、超微
粉末となるため、成形が非常に困難となる。

【００１４】また、本発明による焼結体の製造に際して
は、Ａｌ２Ｏ３粉末の焼結温度が、ＺｒＯ２粉末の焼結
温度と同等若しくはそれ以上、より好ましくは５０〜４
００℃程度高くなるようにするために、Ａｌ２Ｏ３とＺ
ｒＯ２とからなる原料粉末の焼結性をコントロールする
ことが極めて望ましい。この場合には、ＺｒＯ２粉末と
しては、焼結性に優れた比表面積１８ｍ２／ｇ以上の粉
末を使用し、それに応じてＺｒＯ２粉末の焼結温度と同
等以上の焼結温度、より好ましくは５０〜４００℃程度
高い焼結温度を有するＡｌ２Ｏ３粉末を選択使用する。 ここにいう“粉末の焼結温度”とは、ＺｒＯ２粉末およ
びＡ１２Ｏ３粉末のいずれの場合にも、同一の成形方法
（例えば、プレス成形法、鋳込み成形法など）で得られ
た生成形体を順次昇温して高温で焼成するに際し、最終
的に得られる焼結体の密度に対して約９８％以上の密度
が達成される焼結温度を意味する。より具体的には、Ａ
ｌ２Ｏ３では、３・９０ｇ／ｃｍ３以上、ＺｒＯ２では
、５・９５ｇ／ｃｍ３以上の焼結体が得られる焼成温度
と考えてよい。

【００１５】上記の成形原料には、必要に応じて、公知
の添加剤乃至添加物、例えば、結合剤（ＰＶＡ系、アク
リル樹脂系、ワックス系、セルロース系などの水溶性高
分子；ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンな
どの熱可塑性樹脂）、解膠剤、潤滑剤、離型剤、可塑剤
、界面活性剤、表面処理剤、消泡剤、水などを配合して
もよい。結合剤の配合量は、通常原料混合物の１〜５％
程度であり、その他の添加剤の配合量は、合計して通常
原料混合物の１〜５％程度である。

【００１６】次いで、上記の様にして得られた得られた
成形体を予備焼結する。予備焼結も、公知方法と特に変
わったところはないが、理論密度の９０％以上、より好
ましくは９５％以上の予備焼結体が得られる温度範囲内
の出来るだけ低い領域で行なうことが好ましく、通常１
２００〜１６５０℃程度で行なわれる。予備焼結は、酸
化性乃至中性雰囲気中で行なえば良く、通常は空気中で
行なう。

【００１７】次いで、得られた予備焼結体をＨＩＰ処理
する。ＨＩＰ処理時の条件も特に限定されないが、通常
温度１２００〜１６５０℃程度、圧力５００〜２０００
ｋｇ／ｃｍ２程度の条件下に行なう。ＨＩＰ処理には、
金属などのカプセル内に予備焼結体を真空封入した後、
加圧焼結する態様を採用しても良い。なお、本明細書に
おいて、“ＨＩＰ処理”なる用語は、酸素の存在下に行
われる“Ｏ２ＨＩＰ処理”をも包含するものである。

【００１８】上記のようにして得られたアルミナ−ジル
コニア系セラミックス焼結体が優れた性能を発揮する機
構は、以下の様に推測される。まず、予備焼結により、
比表面積が大きく、焼結性に優れたＺｒＯ２原料粉末が
Ａｌ２Ｏ３粒子の周囲を取り囲んだ状態で焼結体が形成
される。この様なＡｌ２Ｏ３粒子を小さなＺｒＯ２粒子
が取り囲んだ焼結体をＨＩＰ処理すると、主としてＹ−
ＴＺＰ（イットリア安定化ジルコニア多結晶）粒子が塑
性変形し、Ｙ−ＴＺＰ粒子同志が相互に有機的に結合し
たマクロ構造を有することになる。この様な製造方法に
よる複合体の構造は、欠陥の無い緻密な焼結体となると
ともに、適切な残留応力の導入、ＺｒＯ２とＡｌ２Ｏ３
間の化学結合の増加をもたらし、焼結体の靭性、強度な
どを改善するものと考えられる。また、この様な製造方
法によれば、ＺｒＯ２粒子は、充分に微細化するととも
に、さらに転位による細分化も期待でき、正方晶から単
斜晶への応力誘起変態を開始する応力をより上昇させる
ことも、強度を増大させている一つの原因と考えられる
。

【００１９】次いで、上記のようにして得られたアルミ
ナ−ジルコニア系セラミックス焼結体の両面をダイアモ
ンドと石を工具として使用する平面研削盤などにより研
削仕上げする。研削手順としては、荒研削（と粒粒度＃
８０〜２４０程度）、中加工（と粒粒度＃４００〜６０
０程度）および仕上げ加工（と粒粒度＃８００〜１５０
０程度）を順次行なう。この研削加工により、焼結体表
面を粗度Ｒｍａｘ１μｍ以下に仕上げる。

【００２０】さらに、上記で得られた研削物を常法に従
ってダイアモンドホイールを使用して刃付け加工するこ
とにより、所望の刃を有する刃物が得られる。刃先とし
てしては、片刃、両刃、丸刃のいずれも可能である。

【００２１】

【発明の効果】Ｙ−ＴＺＰの優れた特性とＡｌ２Ｏ３の
優れた特性とを併せ持つ本発明セラミックス刃物によれ
ば、下記の様な顕著な効果が達成される。 （１）強度および硬度が高いので、耐摩耗性が改善され
、刃物としての耐久性が向上する。 （２）アルミナ−ジルコニア系セラミックス焼結体を構
成しているＺｒＯ２およびＡｌ２Ｏ３の粒子が微細であ
るので、刃物使用時の粒子の脱落が極めて少なく、この
点からも耐久性が向上する。

【００２２】

【実施例】以下に実施例を示し、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 ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２ＯとＹＣｌ３・６Ｈ２Ｏとを所定
の割合で溶解した水溶液を調製し、１０５℃で７日間加
熱しつつ加水分解し、さらにアンモニアを添加すること
により、共沈物を形成させた後、該共沈物を濾過し、乾
燥し、仮焼し、粉砕して、Ｙ２Ｏ３含有量と比表面積の
異なる各種のＺｒＯ２原料粉末（純度９９．４％以上）
を得た。

【００２３】次いで、上記で得られたＺｒＯ２原料粉末
３０〜９０部とアルミナ粉末１０〜７０部との合計１０
０部をエタノール中で７２時間湿式混合した後、乾燥し
、試験試料を得た。かくして得た試験試料を使用して以
下の各試験を行なった。

【００２４】（１）試験−１ 試験試料を１トン／ｃｍ２の圧力で金型成型して０．３
ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍの成形体を得た後、所定の温
度で予備焼成し、ＨＩＰ処理を行ない、０．１ｍｍ×１
８ｍｍ×３２ｍｍの焼結体を得た。下記第１表にジルコ
ニア中の安定化剤量（Ｙ２Ｏ３含有量）、ジルコニア成
分の比表面積および配合量、アルミナ成分の比表面積お
よび配合量を示し、第２表に予備焼結温度およびＨＩＰ
処理条件を示す。

【００２５】

【００２６】

【００２７】得られた焼結体の結晶学的特性を第３表に
示し、その機械的特性を第４表に示す。なお、強度試験
は、ＪＩＳ　　Ｒ　　１６０１に準じて３点曲げ試験に
より測定した。硬度は、ビッカース圧子圧入により測定
した。靭性は、ＪＩＳＲ　　１６０１に準じて「予亀裂
導入破壊試験法」により測定した。粒子径は、複合焼結
体を適切な温度によりサーマルエッチングを行ない、電
子顕微鏡写真から切片法により測定した。結晶相の定量
は、研摩した複合焼結体をＸ線回折に供し、行なった。

【００２８】

【００２９】

【００３０】得られた焼結体をダイアモンド工具で研削
した後、ダイアモンド工具で刃付けを行なった。得られ
た刃物を使用して、Ｔｉ入りインクフィルムを４０ｍ／
分の速度で切断し、切断面の荒れを１０倍のルーペで観
察し、耐久性（正常な切断が行なわれる限度距離）を判
断した。結果を第５表に示す。

【００３１】（２）試験−２ 試験試料を１トン／ｃｍ２の圧力で金型成型して直径１
００ｍｍ×７．５ｍｍの成形体を得た後、所定の温度で
予備焼成し、ＨＩＰ処理を行ない、直径８０ｍｍ×６ｍ
ｍの焼結体を得た。得られた焼結体をダイアモンド工具
で研削した後、ダイアモンド工具で刃付けを行なった。 得られた刃物を使用して、クラフト紙を１６００ｍ／５
０秒の速度で切断し、切断面の荒れを１０倍のルーペで
観察し、耐久性（正常な切断が行なわれる限度距離）を
判断した。結果を第５表に示す。

【００３２】（３）試験−３ 試験試料を鋳込み成型して直径２５０ｍｍ×９ｍｍの成
形体を得た後、所定の温度で予備焼成し、ＨＩＰ処理を
行ない、直径２１０ｍｍ×７ｍｍの焼結体を得た。得ら
れた焼結体をダイアモンド工具で研削した後、ダイアモ
ンド工具で刃付けを行なった。得られた刃物を使用して
、不織布を切断し、切断面の荒れを１０倍のルーペで観
察し、耐久性（正常な切断が行なわれる限度距離）を判
断した。結果を第５表に示す。なお、試験−１〜試験−
３のいずれにおいても原料および製造条件が同一である
限り、ほぼ同一特性の焼結体が得られるので、原料およ
び製造条件が同一のものを単に試料Ｎｏ・１〜１３とし
て包括して示してある。

【００３３】

【００３４】第１表乃至第５表に示す結果から、本発明
による焼結体刃物が優れた性能を備えていることが明ら
かである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｙ２Ｏ３を１．５〜４．５モル％含有
   するＺｒＯ２９５〜３０重量％とＡｌ２Ｏ３５〜７０重
   量％とからなるアルミナ−ジルコニア系セラミックス焼
   結体からなる刃物であって、 （ａ）焼結体中に平均粒子径０．３μｍ以下のＺｒＯ２
   結晶粒子および平均粒子径２μｍ以下のＡｌ２Ｏ３結晶
   粒子が均一に分散されており、 （ｂ）焼結体中のＺｒＯ２結晶相が主として正方晶から
   なっており、 （ｃ）Ａ１２Ｏ３含有量と室温での曲げ強度とが下記の
   関係にある高強度アルミナ−ジルコニア系セラミックス
   焼結休からなることを特徴とする高強度アルミナ−ジル
   コニア系セラミックス刃物：