JPH04501550A - スーパープラスチック焼結酸化マグネシウムセラミック - Google Patents

スーパープラスチック焼結酸化マグネシウムセラミック

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JPH04501550A JP50626489A JP50626489A JPH04501550A JP H04501550 A JPH04501550 A JP H04501550A JP 50626489 A JP50626489 A JP 50626489A JP 50626489 A JP50626489 A JP 50626489A JP H04501550 A JPH04501550 A JP H04501550A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 スーパープラスチック焼結酸化マグネシウムセラミック発明の背景 分IL一本発明は、酸化マグネシウム組成物(ご関し、そして特に種々の量のジ ルコニア及び/又はハフエアにより変性された酸化マグネシウム組成物に関する 。
拉術の現状二酸化マグネシウムからのセラミック素地の製法は、長いこと行われ てきた。一般に、′酸化マグネシウムセラミック素地の焼結は、ホット・プレス により又はポットイソスタチックプレスにより行われてきている。
ジルコニアによるマグネシア素地の強化は、米国特許第4678761号及びr  Zr02−Tou@hened Mgo and Cr1tieal Fae torsin Toughening Cera@ic Materials  by 1neorporatin5 ZireoniJJournal of  Materia、5cience↓etters 4(1985)63〜66ど 題された1985年発行の論文に開示されている。
本出願の譲渡人であるAlI Virkar博士の前記の米国特許の主な点は、 ジルコニア又は他の材料を含む酸化マグネシウム組成物の焼結性を改善すること にある。それは、特に通かに有効な焼結助剤として酸化マンガン及び酸化鉄を開 示した。
発明の要約 本発明は、マグネシアが組成物の約10〜約80容量%で存在しそしてジルコニ ア及び/又はハフニアがセラミック体の約20〜約90容量%で存在するジルコ ニア及び/又はハフニアを含む酸化マグネシウム素地に関する。他の成分は、特 に焼結助剤例えばここに参考として引用されろ米国特許第4678761号に含 まれた該焼結助剤に関する記載に従って酸化マンガン及び酸化鉄を含むだろう。
前述の範囲内に入る組成物は、焼結助剤を含む組成物について約1100℃以上 そして焼結助剤を含まない組成物について約1200℃以上の温度で変形負荷に さらされたとき、超塑性を示す。
本発明のセラミック組成物は、セラミック粉末及び代表的な有機結合剤から従来 のやり方で製造され、そしてプレス、スリップ注型、テープ注型又は酸化物粉末 混合物からの未焼結のセラミック素地の他の従来の製法により素地に形成される 。
未焼結のセラミックは、一般に存在するすべての結合剤を焼き去るために比較的 低温度例えば300℃に加熱することにより加工され、次に密なセラミック素地 に素地を焼結するのに十分な時間、非常に高い温度例丸ば少なくとも#J120 0℃以上、通常約1250℃以上特に約1300℃以上で加熱する。通常、達成 された焼結密度は、焼結の温度が1350℃以上のとき、理論密度の97%を超 える。
これらの酸化マグネシウム素地に存在ずろジルコニア及び/又はハフニアは、任 意の特別な結晶形のものでよい。焼結後セラミック体は、室温に冷却さね、そし 2て摩砕、研磨又は同様なやり方により表面仕上げされ、次に変形を生じさせる のに要求されるそれに等しい又はそれ以上の負荷の適用により複雑な又は他の望 ましい形に形成するために、少なくとも約1100℃の温度に加熱できる。
−4、ホラ!−(約1300℃)焼結された素地は、そのスーパープラスチック 変形温度より低い温度に冷却された焼結セラミックなしに、変形且つ形状形成負 荷にかけられる。
顕没厘単lμ男 第1図は、1100℃及び1200℃におけるM n Oを含む60Mg0/4 0ZrO2焼結セラミツク素地の負荷変形特性をグラフで示している。
第2図は、ひずみ速度感度指標であるr m Jの測定を説明するグラフを含む 。
第3図は、0.005cm/分から約0.05cm/分に変化するたわみ負荷下 の1200℃におけろ60Mg0/4 QZrO2焼結セラミック素地の種々の ひずみ速度をグラフで示す。
第4図は、第3図のサンプルのたわみ速度に対する変形抵抗の比例関係をグラフ で示す。
第5図は、純粋のMgO及び純粋のZrOを含む種々のM g’o /ZrO□ 組成物に関する応力たわみ曲線をグラフで示す。
第6図は、一定のたわみ速度における種々の変形温度の効果をグラフで示す。
第7図は、活性化エネルギー(Q)をめろための変形抵抗対時間の逆数のグラフ である。
第8図は、純粋なMgO及び純粋なZ「02に関するQの報告された値と、第7 図からの活性化エネルギー(Q)との表の比較である。
第9図は、純粋なMg0 、60 MgO/ 40 Z rO及び純粋なZrO 2に関するたわみ対応力テストからのデータをグラフで示す。
第10図は、非線型マックスウェルモデルテストを示す。
第11図は、第10図のテストの結末をグラフ及び表で示す。
褒吸罐唄 本発明は、広い範囲のジルコニア及び/又はハフニアを含む酸化マグネシウムセ ラミック素地に関する。密な、焼結した条件のセラミック組成物は、1100′ C以上の温度で超塑性を示す。焼結は、好まし、<は約1350℃以上のン品度 ”e生ずる。組成物は、約10・−・−約80容量%のマンガン並びに通常約8 0%を・超丸ないが約20〜約90容量%で存在するジルコニア及び/又はハフ ニアを含む。
大発明の組成物は、超塑性を示す密な廿う2:ツ)l素地Q冴ろため(こ、従来 のセラミック加工技術に従っでそ第1らの加工が行わメする限す、特に独特であ る。
酸化マグネシウムの密な素地は、実質的((、均一・な混合物を得るのに十分な 時間、酸化マグネシウムの微砕な粒子と焼結助剤例えば酸化マグネシウム、酸化 鉄などとを混合することにより製造できる。この混合は、乾燥又は湿った状態で 、例えば2%水酸化アンモニウムを含む脱イオン水の存在下行われる。もし湿っ た状態で行われならば、混合物は、水を追い払うのに十分な時間、適切な温度例 えば約200℃で乾燥される。
混合工程後、混合物は、次に本発明の目的のために一般に約50メツシュ以下好 ましくは約100メツシユ以下の適切な粒子の大きさを達成するのに十分な時間 、粉砕されろ。砕いた材料は、結合剤溶液例えば2%ポリビニルブチラール溶液 と、液体例えばアセトン中で混合される。他の周知の結合剤も又用いられる。
又、材料は、それがさらに加工されるように材料を乾燥するのに十分な温度且つ 時間で乾燥されろ。任意に、材料は、次にそれが好ましくは100メツシユのふ るいを通るように再び砕いてもよい。もし材料がその乾燥した条件で加工される ならば、それは次(ζ機械的に適切な形状にプレスされる。材料は、スリップ注 型、テープ注型及び同様な技術によりなった状態で形成できる。形成された素地 は、次に従来の条件例えば所望の密度を達成するのに十分な時間、一般(ζ杓1 400℃より低い温度で、もし焼結助剤が存在(7なければ圧力の存在下(ホッ トプI/ス又はホットイソスタチックプレス)又はもし焼結助剤が存在すれば圧 力の不存在下で、焼結4)メ1ろ1、一般に、約3時間以丁の時間が、セラミミ ック素地の大き4\一応15て焼結温度で十分であり、しばしば2時間以下が密 な焼結しまたセラミック素地を得るのに十分である。
本発明の特別な利点;↓、セラミック素地がセラミック体(すrセラミック素地 ともいう)の特別な形状又は構造を達成するために、スリップ注型、押出し、機 械的f、1プレス及び他の従来の七ラミ・ソクブ】7ス技術により形成できる乙 とである。復雑な形状を有するセラミック素地は、一般にホットプL/ス又はホ ットイソスタヂックプI7スの何れかにより容易に焼結できない。復雑な形状を ホットイソスタヂ・ツクプレスすることができるが、形状は高密度化を達成する ために比較的非多孔性でなければならない。
本発明の焼結したセラミック素地は、最初簡単なしかも複雑でない゛形状で製造 され、そして次に成る方向に変形負荷をかけ、さらに約1100℃思上の温度で セラミックに関する成る閉じ込める手段を用いることにより、より複雑な形状に 形成される。
焼結条件で例えば40%のジルコニアを含むMgO材料は、約1000℃までそ れらの室温の強さを保つが、このような材料は、約1100℃の変形負荷でテス トされたとき、特に少量の酸化マンガンによりドープされたとき、顕著な塑性を 示す。酸化マンガンを有する及び有しないマグネシア及びジルコニアの種々の組 成物のテストは、第】図に示されるように顕著な塑性を示しt:。
「超塑性(スーパープラスチック)」としてこれらの材料の変形挙動を特徴づけ るために、材料は、第2図に報告されしかもそこに記載された要件を満足しなけ ればならない。そわば、次の通りである。
1 加工硬化の不存在。
2 下記の式 %式% によりめて、ひずみ速度感度指標r m 」が05以上。
それらにともなう式及びグラフは第2図に示される。
3 大きな変形後の等軸の空隙のない微構造。
本発明のマグネシア素地は、これらの特徴を示した。本発明の他の説明は、添付 図面により補足される。
実施例 1 第3図に示されたデータは、全セラミック素地中で40容量%のジルコニアを含 むマグネシアの4種のサンプルからめられた。
この特定のサンプルは、焼結助剤例えば酸化マンガンを含まなかった。これらの サンプルは従来の方法で製造され、そして約1400℃の温度で焼結された。サ ンプルを次に冷却し、次に研削し研磨した。これらのサンプルを次に4点曲げテ ストで1200℃でテストした。サンプルを4時間1500℃で焼結して理論値 の961%の密度にした。サンプルを同一の厚さに表面研削し、6ミクロン仕上 げに研磨した。
4点曲げテストのトップスパンは、10mであ勢、ボトムスパンは40++mで ある。すべてのサンプルは、0.444士約0.002cmの同じ厚さを有し、 た。各サンプルは、0,005cm/分から約0.050cm / 分に変化す る異なるクロスヘッド速度でテストした。
こわらのクロスヘッド速度は、応力のべき指数を見つけた後ひずみ速度に変換さ れる。サンプルは、0.304cmのたわみが達成されるまで、テストされた。
サンプルから次に負荷を除き、即ち力のすべての適用を除いた。応力・たわみ特 性は第3図に示された。
各ケースにおいて、十分に発現した変形抵抗が、加工硬化の徴候が全くなしに観 察された。変形抵抗In(σ流れ)のlogが、logたわみ速度(lれδ)に 対して画かれる。すべてのサンプルが同じ厚さを有しそして同じスパンの長さで テストされたので、たわみ速度はひずみ速度と比例する。このようなデータは、 第4図に示される。曲線のスロープは、ひずみ速度感度指標mをもたらし、そし て約068に等しいことが分かり、さらに第3図及び第4図に示される約14か らの応カベき指数は、超塑性の二つの特徴の要件、即ち加工硬化の不存在及びm 〉05が、これらの材料で満足されていることを示す。
張り側の最大のひずみは、約6%である。成る他の曲げ装置でテストしたとき、 大きなひずみが観察され、サンプルは弱くならなかった。第一のサンプルは、ク リープ実験装置で変形された。
(すべてのこれらのサンプルは3モルMnO2にドープされた)。
クリープ実験の外側のスパンは、2.54cmであり、内部スパンは1帥である 。10−’/秒の最大のひずみ速度が観察された。第二のサンプルは、5点曲げ 装置(底部において3点の鋭い支持点そして頂部において2点)でテストされた 。サンプルを、1150℃で0.005cm/分のクロスヘッド速度で負荷した 。サンプルを100分間負荷し次に負荷を除いた。サンプルは弱くならなかった 。第三のサンプルは、ひずみ速度感度指標の決定についてテストし、外側の張り 側のひずみは約6%である。この後者のサンプルは、予定した方向における力の 適用によりそして焼結しt−セラミックを閉じ込めることにより、これらの焼結 したセラミックを所望の予定した形状に加熱成形する可能性を示した。
Σ旦y及グTEy巷M 変形したサンプルの張り側を、SEM及びTEM調査について製造した。SEM の調べは、空隙のない微構造を示した。TEMの調べは、明らかな三重点並びに 空隙又はクラッキングの不存在並びにガラス状相を示した。又両者の調べで、石 目は等軸のように見えろ。
こわらの実験によhlすべでの要件は、スーパープラスチック挙動を立証するよ うに合致しt:o従って、キイ料Mgo + 4096v/。
なMgOは、ホットプレスされ、そして約05ミクロンの粒子の大きさの結晶を 有した。YTZPは100%の正晶方系の単相の結晶を有し、そして約05ミク ロンの粒子の大きさを有した。負荷を増加しつつ1200℃でテストンたとき、 両方のこれらのサンプルは、劣化しノこ。しかし、MgO及びZrO□の二重相 を有するサンプルは、塑性を示した。MgO+ 90 vloZ ro2は、劣 化し、一方すべての他のサンプルは負荷を除かねばならなかった。すべてのこれ らの月料は、約1〜2ミクロンの粒子の大きさを有した。
固快進3」ルギーの社 MgO+40v10Zr02サンプルは、1150℃〜1250℃に及ぶ温度で 、0.0127em/分の一定のたわみ速度(3,5X 1.0−5/秒のひず み速度に相当する)での曲げにより変形されroすべでのサンプルは、変形抵抗 が確立された後に、負荷を除かれた。応力たわみ曲線を第6図に示す。第7図は 、log変形抵抗対1/時間の曲線を示す。ス0−プは、Q/nr (EX σ :、、[Q/RT]から、11は1150℃〜1250℃で一定と考え、せん断 モジュラスの変化は無視しうるものと考える)である。スロープから、Qは94  kcal/ モ/L、と計算される。第8図は、MgO+ 40 v10Zr O2のQと、一定のひずみ速度テストにおける純粋なMgO及びYTZPについ て報告された値とを比較する。二重相は、純粋なMgO又はYTZPよりも小さ いQ値を有することに注意すべき第9図は、純粋なMgO、MgO+ 40 v loZ ro2及びMgO+90v10Zro2というサンプルに関する応力対 たわみ曲線を示す。
純粋なM[0は、空隙を有し、そしてテスト後肉眼で認められる横方向のクラッ クを示した。Mho + 40 vloZ rO2は、十分に確立された変形抵 抗を示したが、MgO+90v10Zro2サンプルは変形が困難であって、非 常に高い応力を要した。固定したたわみ後、クロスヘッドを停止し、応力を緩め た。非線型ニュートニアンダッシュボットを有するマックスウェル要素をモデル し、応カベき指数、緩和時間及び粘度をめた。これらは第10図及び第11図に 示され、結果は第12図に要約されろ。MgO+40v/。
ZrOは、その変形に向かって拡散且つ転位のコントリビューシアンを有し、− 力MgO及びMgO+90v10ZrO□は転位のコントリビューシアンしか有 しなかった。M go + 40 vloZ rO2の緩和時間及び粘度は、J O及びMgO+ 90 vloZ rOのそれよ吟Mg+2は、6の配位数(C N=6)について約0.72Aのイオン半径を有する。Zr”も又CN=6につ いて約072Aのイオン半径を有する。ZrO2は、恐らく少量でMgOに非常 に良く溶解する。MgO中のZrO2の溶解性は、次の式で示されるようにMg 部位に陽イオンの空きを生ずる。Zr02−ZrMg’20.+V”Mg。
これはMgO+40v10Zro2サンプル中の拡散コントリビューシランを説 明する。その上、変形抵抗は、第8図から分かるようにZrO含量の増加ととも に増加し、変形に対する主なコントリビューシランはより柔らかいMgO相から である。
上記の実験に関する結論の要約は次の通りである。
1、MgO+ 40 vloZ ro2は、068のひずみ速度感度指標を有す る。
2、MgO+40v10Zr02セラミツクスは、変形後等軸のしかも空隙のな い微構造を有する。
3 これらのセラミックスは、全く加工硬化を示さない。
4、加熱成形の可能性が存在する。
5、MgO+ZrO171合体はプラスチックであるが、−力値々の成分相はそ うではない。
ハフニアが上記の実施例でジルコニアを置換するとき、同様な結果が達成される 。
第5図に示されるように、純粋なMgO及び純粋なZrOは、全くスーパープラ スチック特性を示さず、Mg010%/ Z r 090%(容量)は制限され たスーパープラスチック性を示す。80%MgO/20%ZrO2〜20%Mg O/80%ZrO2の範囲のこれらの組成物は、良好なスーパープラスチック特 性を示すが、一方Mg080%/ Z ro220%〜Mg040%/ Z r o260%の範囲の組成物は、優れたスーパープラスチック性を示す。優れたス ーパープラスチック性を示す最良の組成物は、マグネシアが多いものである。
少量の他のセラミック材料例えばアルミナ、酸化ビスマス、炭化珪素、硝化珪素 、ムライトなどは、高温度におけろ焼結したセラミックのスーパープラスチック 性を不当に変えることなく、セラミック組成物に含まれる。
焼結助剤例えば酸化マンガン、酸化鉄などは、比較的低い温度例えば約1200 ℃の温度での無加圧焼結を助けるのに、MgO−Z ro / Hfo組成物に 有利に含まれる。
焼結助剤の有無の下の種々の「スーパープラスチックJ MgO−Z rO/  HEO組成物のホットプレス及びホットイソスタチックプレスされたセラミック は、簡単な形状に容易に形成され、それは次に変形タイプの力の適用により高温 度即ち1100℃以上で複雑な形状に形成される。
轍、 −fy (MPa) 久−I\0−フ0/ス/f・、tり栗−新う件各骨A;FIG、2 え1.・ ≠ (MPa) !r+σミも4.4− !nσ 曲す゛矢鯵の吃り MgO+ 40 vlo zro21.48 94 kcal / ’61/M gO123kcal/ ffl+!> ”ZrO2140kcal /2.r7 Grained MgOat Large Compressive 5tra ins’ J、 Am、 Cer、 Soc、。
” F、 Wakai et。・al、、、’5uperplasticity  in YTZP polycrystals’、 Adv≠獅モ■■ Ceramic Materials、 1 [3] 259−63 (198 6)FIG、8 応力代額劇駿: FIG、I○ MgO3,11,6x1061.287xlO16M90+90V102JO2 3,25,28x108L673xtO18M90+40V10Zr02 2− 1 .3.203x10’ 1.712xlO”FIG、!2 手続補正書(方式) %式% 1、事件の表示 2発明の名称 スーパープラスチック焼結酸化マグネシウムセラミック3補正をする者 事件どの関係 特許出願人 名称 ダウ ゲミカル カンパニー 4代理人 氏名 弁?l、 (7175) 斉 藤 武 彦・、′、図面の翻訳文及Cブ代 程権り・証町するa面(住所の欄)7補正の内容 別紙のとおり、図面の翻訳文の浄書(内容に変更なし)国際調査報告 国際調査報告 US 8901769 SA 29107

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.MgO80〜10%及びZrO2及び/又はHfO220〜90%(容量) の組成を有することを特徴とする焼結したセラミック。
  2. 2.MgOが約80〜20容量%で存在し、ZrO2及び/又はHfO2が約2 0〜80容量%で存在する請求項1記載のセラミック。
  3. 3.MgOが約80〜20容量%で存在し、ZrO2及び/又はHfO2が約2 0〜80容量%で存在する請求項1記載のセラミック。
  4. 4.少量の他のセラミック材料がセラミックに含まれている請求項1記載のセラ ミック。
  5. 5.MgO80〜10%及びZrO2及び/又はHfO220〜90%(容量) の組成を有することを特徴とする加熱延伸ししかも焼結したセラミック体。
  6. 6.10〜80容量%のMgO及び20〜90容量%のZrO2及び/又はHf O2をもつ組成を有する焼結したセラミックを、それに対する力を適用すること により1100℃を超える温度で形成することにより、該焼結セラミックの成型 体を熱形成する方法。
  7. 7.10〜80容量%のMgO及び20〜90容量%のZrO2をもつ組成の第 一の形状の未焼結体を形成し;少なくとも1200℃の温度で前記の未焼結体形 を焼結して、前記の未焼結体と実質的に同じ形状を有する焼結した形状とし;前 記の焼結形を少なくとも1100℃の温度に加熱し;そして第二の予定した形状 へ該焼結形の変形を生じさせるのに十分な力を前記の加熱された焼結形に適用す ることを包含する成型された焼結セラミック体を形成する方法。
  8. 8.該焼結温度が少なくとも1100℃であり、変形を生じさせる力の前記の適 用が、前記の焼結された形状の中間の冷却なしに行われる請求項7記載の方法。
  9. 9.1100℃より高い温度で超塑性を示し、しかも約50〜90容量%のZr O2及び10〜50容量%のMgOをもつセラミック素地。
  10. 10.酸化マンガン又は酸化鉄又はその組合わせが約5容量%までの量で存在す る請求項1記載のセラミック素地。
  11. 11.変形力より大きい予定した力を、予定した方向に前記の加熱焼結体に適用 して、前記の第一の形状をして第二の予定した形状に形成せしめる予定した量の 変形を生じさせる請求項7記載のセラミック体。
JP50626489A 1988-04-29 1989-04-27 スーパープラスチック焼結酸化マグネシウムセラミック Pending JPH04501550A (ja)

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