JPH06102574B2 - High toughness ceramic sintered body excellent in heat resistance stability and method for producing the same - Google Patents

High toughness ceramic sintered body excellent in heat resistance stability and method for producing the same

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JPH06102574B2
JPH06102574B2 JP60182726A JP18272685A JPH06102574B2 JP H06102574 B2 JPH06102574 B2 JP H06102574B2 JP 60182726 A JP60182726 A JP 60182726A JP 18272685 A JP18272685 A JP 18272685A JP H06102574 B2 JPH06102574 B2 JP H06102574B2
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博 稲田
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は高靭性セラミック焼結体に関し、さらに詳しく
はY2O3及びCeO2あるいはCeO2を安定化剤として含むジル
コニアと、Al、Si、B及び周期律表4a、5a、6a族元素の
ホウ化物、炭化物、窒化物及びCr2O3(以上第2成
分)、あるいはさらに第3成分としてAl2O3、MgO・Al2O
3(スピネル)、3Al2O3・2SiO2(ムライト)から選ば
れた(主として)分散成分とから成り、高強度で耐摩耗
性及び熱安定性に優れ、強度及び靭性の経時劣化の極め
て少ない高靭性セラミック焼結体及びその製造方法に関
するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high toughness ceramic sintered body, and more specifically, zirconia containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer, and Al and Si. , B and borides, carbides, nitrides and Cr 2 O 3 (above the second component) of elements of groups 4a, 5a and 6a of the periodic table, or Al 2 O 3 and MgO · Al 2 O as the third component.
3 (spinel), composed of a 3Al 2 O 3 · 2SiO selected from 2 (mullite) (predominantly) variance components, excellent in wear resistance and thermal stability at high strength, very little of the strength and toughness of the time degradation The present invention relates to a high toughness ceramic sintered body and a method for manufacturing the same.

[従来の技術及び問題点] ジルコニア焼結体は高温領域の立方晶から正方晶を経て
単斜晶に相転移をするが、その際体積変化を伴い、特に
正方晶から単斜晶への相転移の体積変化が大きく、その
ため焼結体がこの体積変化により破壊してしまうという
欠点がある。この欠点を取り除くために、ZrO2にCaO、M
gO、Y2O3などを固溶させて転移を起こさせないように
し、常温でも立方晶からなる安定化ジルコニアあるいは
立方晶と単斜晶よりなる部分安定化ジルコニアが数多く
発表されている。また、準安定相である正方晶を常温で
焼結体内に存在させた部分安定化ジルコニアが高強度を
示すことが発表されている。これは一つには機械的な外
部応力が加わった際に、準安定な正方晶から室温安定相
である単斜晶への相転移が誘起され、応力が吸収される
ことによる。
[Prior Art and Problems] A zirconia sintered body undergoes a phase transition from a cubic crystal to a tetragonal crystal in a high temperature region to a monoclinic crystal. At that time, a volume change occurs, and a tetragonal crystal to a monoclinic crystal phase is particularly generated. There is a drawback that the volume change of the transition is large, and therefore the sintered body is destroyed by this volume change. In order to eliminate this drawback, ZrO 2 was added to CaO, M
A large number of stabilized zirconia consisting of cubic crystals or partially stabilized zirconia consisting of cubic crystals and monoclinic crystals are disclosed at room temperature, in which gO, Y 2 O 3 and the like are dissolved to prevent the transition. In addition, it has been announced that partially stabilized zirconia obtained by allowing a tetragonal crystal, which is a metastable phase, to exist in a sintered body at room temperature exhibits high strength. This is partly because, when a mechanical external stress is applied, a phase transition from a metastable tetragonal crystal to a monoclinic crystal that is a room temperature stable phase is induced and the stress is absorbed.

この種に常温において主として準安定な正方晶からなる
焼結体を得るための安定化剤としては、従来より主とし
てY2O3が用いられ特に高靭性、高強度を発現している。
しかし、このように主として正方晶からなる部分安定化
ジルコニアは、高温相を低温域までもたらした結果生ず
る準安定相であるため、その構造や性質が経時変化を
し、特に200℃ないし400℃という比較的低温における加
熱により単斜晶へ相転移を起こし、強度の経時劣化が極
めて大きい。また、この強度劣化は水分等の存在下では
著しく促進され、この様な特性の経時劣化が問題となっ
ている。以下このような比較的低温加熱下における経時
劣化に耐えることを「耐熱安定性」と称する。
Y 2 O 3 has been mainly used as a stabilizer for obtaining a sintered body composed of a tetragonal crystal that is mainly metastable at room temperature, and has exhibited particularly high toughness and high strength.
However, since the partially stabilized zirconia mainly composed of tetragonal crystals is a metastable phase generated as a result of bringing a high temperature phase to a low temperature region, its structure and properties change with time, particularly, 200 ° C to 400 ° C. The heating at a relatively low temperature causes a phase transition to a monoclinic crystal, and the deterioration of strength with time is extremely large. Further, this strength deterioration is remarkably promoted in the presence of water or the like, and such deterioration of characteristics over time poses a problem. Hereinafter, withstanding such deterioration over time under heating at a relatively low temperature is referred to as “heat resistance stability”.

ジルコニアの正方晶→単斜晶の相変態を利用した高靭性
セラミックについては、異なる手法として、アルミナか
らなる基質内にマイクロクラックを内蔵させ、これによ
り負荷がかかった場合に発生する応力を焼結体中に存在
するマイクロクラックによって吸収する破壊靭性の高い
セラミック成形体の製法が開示されている。(特開昭52
−86413) また、マイクロクラックの内蔵と異なり緻密な非金属超
硬物質を主体とする焼結体中に安定化剤を含まない酸化
ジルコニウム(ジルコニア)を50容量%まで内蔵させ、
強度を改善した焼結成形体が開示されている。(特開昭
54−61215) しかし、これら2つの例に含まれるジルコニアはいずれ
も安定化剤を全く含まないものであるため、靭性及び曲
げ強さの点では著しく改善されたものの、熱的には非常
に不安定である。
For high toughness ceramics that utilize the tetragonal → monoclinic phase transformation of zirconia, a different method is to incorporate microcracks in the alumina matrix and sinter the stress generated when a load is applied. A method for producing a ceramic molded body having high fracture toughness which is absorbed by microcracks existing in the body is disclosed. (JP-A-52
-86413) Also, unlike the incorporation of microcracks, zirconium oxide (zirconia) containing no stabilizer is incorporated up to 50% by volume in a sintered body mainly composed of a dense non-metal cemented carbide,
A sintered compact having improved strength is disclosed. (JP Sho
54-61215) However, since the zirconia contained in these two examples does not contain a stabilizer at all, it is remarkably improved in terms of toughness and bending strength, but is not very thermally effective. It is stable.

これに対してアルミナ、ムライト、スピネル、Si3N4
イットリア部分安定化ジルコニア等のセラミックマトリ
ックス中にセラミック埋込み材料として安定化剤を含ま
ない単斜晶あるいは正方晶のジルコニアを5〜50容量%
含む成形体、あるいは埋込み材料として2モル%のY2O3
で安定化された主として正方晶のジルコニアを5〜30容
量%まで含むセラミック焼結成形体が開示されている
(特開昭59−64567)。しかし、前者はジルコニアに安
定化剤を含まず、後者はジルコニアをイットリアで部分
安定化したものであるため、熱的には極めて不安定であ
り容易に経時劣化を生じるという欠点がある。
On the other hand, alumina, mullite, spinel, Si 3 N 4 ,
5-50% by volume of monoclinic or tetragonal zirconia containing no stabilizer as a ceramic embedding material in a ceramic matrix such as yttria partially stabilized zirconia
2 mol% Y 2 O 3 as a molding containing or embedding material
A ceramic sintered compact containing mainly tetragonal zirconia stabilized at 5 to 30% by volume is disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 59-64567). However, the former does not contain a stabilizer in zirconia and the latter partially stabilizes zirconia with yttria. Therefore, it is thermally unstable and easily deteriorates with time.

また、高靭性セラミック焼結体として、Y2O3、MgO、CaO
を安定化剤として含むジルコニアにAl2O3を0.5〜60重量
%まで含む焼結体(特開昭58−32066)及びY2O3、MgO、
CaOを安定化剤として含むジルコニアにAl2O3あるいは各
種のホウ化物、炭化物、窒化物及びAl2O3を含む焼結体
(特開昭58−120571)が開示されている。
In addition, as a high toughness ceramic sintered body, Y 2 O 3 , MgO, CaO
Zirconia containing 0.5 to 60% by weight of Al 2 O 3 as a stabilizer (JP-A-58-32066) and Y 2 O 3 , MgO,
There is disclosed a sintered body containing Al 2 O 3 or various boride, carbide, nitride and Al 2 O 3 in zirconia containing CaO as a stabilizer (Japanese Patent Laid-Open No. 58-120571).

しかし、これらの開示されたジルコニア焼結体のうちMg
O、CaOを安定化剤とするものは、Y2O3を安定化剤とする
ものに比べ機械的強度が低い上、1000℃付近の長時間の
保持により、説安定化すなわち正方晶から単斜晶への変
態を生じ、その結果機械的強度の低下を生ずるため、構
造材としての用途は限られたものとなっている。さら
に、Y2O3によって安定化された高靭性ジルコニア焼結体
は、上記したように200℃〜400℃の低温において容易に
相転移を生じ、時間と共に焼結体表面より内部へ向かっ
て転移が進行し強度、靭性の劣化は著しく、強靭化のメ
カニズムが作用しなくなることはもとより、相転移に伴
う体積膨張により、マイクロクラックが発生してついに
は破壊してしまうという重大な欠陥を有し、構造材とし
ての信頼性に乏しいものである。
However, among these disclosed zirconia sintered bodies, Mg
The ones that use O and CaO as stabilizers have lower mechanical strength than those that use Y 2 O 3 as a stabilizer, and also have a theoretical stabilization, that is, tetragonal crystal to single crystal, by holding for a long time near 1000 ° C. Since it is transformed into orthorhombic crystals, resulting in a decrease in mechanical strength, its use as a structural material is limited. Furthermore, the high toughness zirconia sintered body stabilized by Y 2 O 3 easily undergoes a phase transition at a low temperature of 200 ° C to 400 ° C as described above, and transitions from the surface of the sintered body toward the inside with time. And the deterioration of strength and toughness is remarkable, and the mechanism of toughness does not work, and there is a serious defect that microcracks are generated and eventually destroyed due to volume expansion accompanying the phase transition. However, it is poor in reliability as a structural material.

また、Y2O3を安定化剤とするZrO2にアルミナを含有さ
せ、HIP処理を行なうことにより、さらに曲げ強度の高
い高強度ジルコニアセラミックスの製造法が開示されて
いる(特開昭60−86073)。
Also disclosed is a method for producing high-strength zirconia ceramics having higher bending strength by adding alumina to ZrO 2 having Y 2 O 3 as a stabilizer and performing HIP treatment (JP-A-60- 86073).

同公報では、ジルコニアセラミックスの強度は改善され
ているものの、Y2O3を安定化剤とするジルコニアを主成
分としている為、200℃〜400℃における経時劣化を生じ
るという問題が依然としてある。
In the publication, although the strength of zirconia ceramics is improved, since zirconia containing Y 2 O 3 as a stabilizer is the main component, there is still a problem that deterioration with time occurs at 200 ° C to 400 ° C.

一方、Y2O3とCeO2を安定化剤とするジルコニア磁器及び
その製造法(特開昭60−141673)や、CeO2を安定化剤と
するジルコニア及びこれにアルミナを含有するジルコニ
ア質焼結体も開示されている。(特開昭60−108367)。
これらの公報に示されたCeO2を含有するジルコニアセラ
ミックスは、Y2O3を安定化剤とするジルコニアと比較し
て熱安定性はやや改善されているものの、強度が十分で
ないという問題があり、構造材としての用途が限られた
ものとなっている。
On the other hand, zirconia porcelain with Y 2 O 3 and CeO 2 as stabilizers and its manufacturing method (JP-A-60-141673), zirconia with CeO 2 as stabilizer and zirconia-based calcination containing alumina Associations are also disclosed. (JP-A-60-108367).
The zirconia ceramics containing CeO 2 shown in these publications have a slightly improved thermal stability as compared with zirconia having Y 2 O 3 as a stabilizer, but have the problem of insufficient strength. However, its use as a structural material is limited.

[発明が解決しようとする課題] このようにY2O3を安定化材として含むY2O3−ZrO2系ジル
コニアセラミックス及びこれにアルミナを含有するY2O3
−ZrO2−Al2O3系ジルコニアセラミックスは、200〜400
℃の低温における経時劣化の欠点を有しており、またY2
O3とCeO2を安定化剤とするY2O3−CeO2−ZrO2系ジルコニ
アセラミックスあるいは、CeO2を安定化剤とするCeO2
ZrO2系、CeO2−ZrO2−Al2O3系ジルコニアセラミックス
は、経時劣化はやや改善されているが強度が低いという
欠点を有している。
[Problems to be Solved by the Invention] Y 2 O 3 containing Y 2 O 3 -ZrO 2 zirconia ceramics and this alumina comprises thus the Y 2 O 3 as a stabilizer
-ZrO 2 -Al 2 O 3 zirconia ceramics, 200-400
℃ has the disadvantage of deterioration with time in the low temperature, also Y 2
O 3 and CeO 2 and a stabilizer Y 2 O 3 -CeO 2 -ZrO 2 zirconia ceramics or, CeO 2 for the CeO 2 and stabilizer -
ZrO 2 -based and CeO 2 —ZrO 2 —Al 2 O 3 -based zirconia ceramics have a drawback that they have a low strength although their deterioration over time is slightly improved.

またこれらのジルコニアセラミックスに共通する問題と
して、硬度が低いことにより、耐摩耗性に劣るという欠
点も有し、用途が制限されるという問題点がある。
Further, as a problem common to these zirconia ceramics, there is a problem that the wear resistance is poor due to the low hardness, and the application is limited.

本発明は高靭性ジルコニアのこのような問題点を解決す
べくなされたものであって、ジルコニアの熱安定性を飛
躍的に増大し熱経時劣化の無い耐久性(即ち耐熱安定
性)に優れたしかも高強度、高靭性で耐摩耗性にも優れ
た焼結体を提供し、高靭性ジルコニア焼結体の構造材と
しての性能を向上し、その用途を拡大することを目的と
するものである。
The present invention has been made to solve such a problem of high toughness zirconia, and has a dramatic increase in the thermal stability of zirconia and excellent durability (that is, heat stability) without deterioration with heat. Moreover, it is intended to provide a sintered body having high strength, high toughness, and excellent wear resistance, improving the performance of the high toughness zirconia sintered body as a structural material, and expanding its application. .

[問題点を解決するための手段] 本発明の第1発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミッ
ク焼結体は、Y2O3−CeO2またはCeO2を安定化剤として含
む主として正方晶より成る部分安定化ジルコニアに対し
て第2成分としてAl、Si、B及び周期律表4a、5a、6a族
元素のホウ化物、炭化物及び窒化物、及びCr2O3から選
ばれた1種または2種以上を1〜70内部重量%含む焼結
体であって、焼結体中に含まれる正方晶ジルコニアの結
晶粒子の平均粒子径が2μm以下であり、かつ耐熱安定
性に優れたことを要旨とするものである。
[Means for Solving Problems] The high toughness ceramic sintered body excellent in heat resistance stability of the first invention of the present invention is mainly a tetragonal crystal containing Y 2 O 3 —CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer. For partially stabilized zirconia consisting of Al, Si, B as a second component, and one or more selected from boride, carbide and nitride of Group 4a, 5a and 6a elements of the Periodic Table, and Cr 2 O 3. It is a sintered body containing 1 to 70% by weight of two or more kinds, and the average particle diameter of the tetragonal zirconia crystal particles contained in the sintered body is 2 μm or less, and the heat resistance is excellent. It is a summary.

本発明の第2発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミッ
ク焼結体は、Y2O3とCeO2またはCeO2を安定化剤として含
む主として正方晶より成る部分安定化ジルコニアに対し
て前記第2成分と、さらに第3成分としてAl2O3、MgO・
Al2O3(スピネル)、2Al2O3・2SiO2(ムライト)から
選ばれた1種または2種以上を第2、第3成分の合計で
1〜70内部重量%含む焼結体であって、焼結体中に含ま
れる正方晶ジルコニアの結晶粒子の平均粒子径が2μm
以下であることを要旨とするものである。
The high toughness ceramic sintered body excellent in heat resistance stability of the second invention of the present invention is the above-mentioned with respect to partially stabilized zirconia mainly composed of tetragonal crystal containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer. The second component, and as the third component, Al 2 O 3 , MgO.
Al 2 O 3 (spinel), there at 2Al 2 O 3 · 2SiO 2 (mullite) from selected one or two or more second, sintered body containing 1 to 70 internal wt% in total of the third component And the average particle size of the tetragonal zirconia crystal particles contained in the sintered body is 2 μm.
The main points are as follows.

ここに「耐熱安定性に優れた」ことは、空気中にて300
℃×300時間の熱劣化試験の後曲げ強度が100kg/mm2以上
を有することを第一義的条件とする。耐熱安定性の劣化
はその他、熱劣化試験後の単斜晶の増大によっても確認
される。
Here, "excellent heat resistance stability" means 300
The primary condition is to have a bending strength of 100 kg / mm 2 or more after a heat deterioration test at 300 ° C for 300 hours. Deterioration in heat stability is also confirmed by an increase in monoclinic crystals after the heat deterioration test.

また、本発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミック焼
結体は、熱間プレスあるいは熱間静水圧プレス処理され
ることにより強度、靭性及び耐熱安定性を飛躍的に増大
できる。
Further, the high toughness ceramic sintered body having excellent heat resistance stability of the present invention can be dramatically increased in strength, toughness and heat stability by being subjected to hot pressing or hot isostatic pressing.

本発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミック焼結体に
含まれる部分安定性ジルコニアのZrO2、YO1.5、CeO2
の組成範囲を、添付図面に示すように正三角形に交わる
三軸にそれぞれZrO2、YO1.5、CeO2のmol%を表示した三
角座標において、 点A(ZrO287.5mol%、YO1.512mol%、CeO20.5mol%) 点B(ZrO295.5mol%、YO1.54mol%、CeO20.5mol%) 点C(ZrO295.5mol%、YO1.52mol%、CeO22.5mol%) 点D(ZrO292.0mol%、YO1.50mol%、CeO28.0mol%) 点E(ZrO284.5mol%、YO1.50mol%、CeO215.5mol%) で示された特定5組成点を結ぶ点で囲まれた範囲内の組
成とすることにより、特性を一層改善できる。
ZrO 2 , YO 1.5 , CeO 2 of partially stable zirconia contained in the high toughness ceramic sintered body excellent in heat stability of the present invention,
As shown in the attached drawing, the composition range of point A (ZrO 2 87.5 mol%, YO 1.5 12 mol% is shown on the trigonometric coordinates in which ZrO 2 , YO 1.5 , and CeO 2 mol% are displayed on the three axes intersecting the equilateral triangle. , CeO 2 0.5mol%) Point B (ZrO 2 95.5mol%, YO 1.5 4mol%, CeO 2 0.5mol%) Point C (ZrO 2 95.5mol%, YO 1.5 2mol%, CeO 2 2.5mol%) Point D ( ZrO 2 92.0mol%, YO 1.5 0mol %, CeO 2 8.0mol%) point E (ZrO 2 84.5mol%, YO 1.5 0mol%, surrounded by a point connecting the specific 5 composition point indicated by CeO 2 15.5 mol%) The characteristics can be further improved by setting the composition within the range.

また、本発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミック焼
結体に含まれる第2成分のうちAl、Si、B及び周期律表
4a、5a、6a族元素のホウ化物、炭化物、窒化物をAlN、T
iC、TiN、、TiCN、TiB2、、Si3N4、SiC、B4C、WC、Ta
C、NbC、Cr3C2、Cr2B、ZrN、ZrB2、ZrC、HfN、HfB2、Hf
C、BNとすることができる。
Further, among the second components contained in the high toughness ceramic sintered body having excellent heat resistance stability of the present invention, Al, Si, B and the periodic table.
Borides, carbides, and nitrides of 4a, 5a, and 6a elements are AlN, T
iC, TiN, TiCN, TiB 2 , Si 3 N 4 , SiC, B 4 C, WC, Ta
C, NbC, Cr 3 C 2 , Cr 2 B, ZrN, ZrB 2 , ZrC, HfN, HfB 2 , Hf
Can be C, BN.

本発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミック焼結体の
製造方法(第3発明)は、Y2O3とCeO2またはCeO2を安定
化剤として含むZrO2粉末、またはY2O3粉末及びCeO2粉末
及びZrO2粉末の合量またはCeO2粉末及びZrO2粉末の合量
に対し、第2成分としてAl、Si、B及び周期律表4a、5
a、6a族元素のホウ化物、炭化物及び窒化物、及びCr2O3
から選ばれた1種または2種以上の粉末をZrO2粉末また
は前記の合量に対して1〜70内部重量%の範囲で配合し
て得られた混合粉末の成形体を特定の条件下で焼結する
ものである。即ち、含まれる正方晶ジルコニアの結晶粒
子の平均結晶粒子径が2μm以下であり、かつ耐熱安定
性に優れた焼結体となるような条件下で焼結するもので
ある。
The method for producing a high toughness ceramic sintered body excellent in heat stability according to the present invention (third invention) is a ZrO 2 powder containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer, or Y 2 O 3 Powder, CeO 2 powder and ZrO 2 powder or the total amount of CeO 2 powder and ZrO 2 powder as the second component, Al, Si, B and Periodic Table 4a, 5
Borides, carbides and nitrides of a and 6a group elements, and Cr 2 O 3
A mixture of 1 or 2 or more powders selected from ZrO 2 powder or a mixed powder obtained by blending the powder in the range of 1 to 70% by weight based on the total amount under the specified conditions. It is what is sintered. That is, the tetragonal zirconia crystal particles contained have an average crystal particle diameter of 2 μm or less and are sintered under the condition that a sintered body having excellent heat resistance stability is obtained.

本発明の第4発明による製造方法は、第3発明における
前記第2成分に加え、さらに第3成分としてAl2O3、MgO
・Al2O3(スピネル)、3Al2O3・2SiO2(ムライト)か
ら選ばれた1種または2種以上の粉末をZrO2粉末または
前記の合量に対して第2、第3成分の合計で1〜70内部
重量%の範囲で配合して得られた混合粉末の成形体を焼
成し、含まれる正方晶ジルコニアの結晶粒子の平均粒子
径が2μm以下であり、かつ耐熱安定性に優れた焼結体
となるよう焼結することを要旨とするものである。
The manufacturing method according to the fourth aspect of the present invention is the method of adding Al 2 O 3 , MgO as a third component in addition to the second component in the third aspect .
· Al 2 O 3 (spinel), 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 second one or more powders selected from (mullite) with respect to the total amount of ZrO 2 powder or the, the third component A mixture powder obtained by blending in a total amount of 1 to 70% by weight is fired, and the tetragonal zirconia crystal particles contained have an average particle diameter of 2 μm or less and are excellent in heat resistance stability. The main point is to sinter so as to obtain a sintered body.

この、本発明の製造方法に用いられるY2O3、CeO2、ZrO2
粉末の組成割合は、添付図面に示すように正三角形に交
わる三軸にそれぞれZrO2、YO1.5、CeO2のmol%を表示し
た三角座標において、 点A(ZrO287.5mol%、YO1.512mol%、CeO20.5mol%) 点B(ZrO295.5mol%、YO1.54mol%、CeO20.5mol%) 点C(ZrO295.5mol%、YO1.52mol%、CeO22.5mol%) 点D(ZrO292.0mol%、YO1.50mol%、CeO28.0mol%) 点E(ZrO284.5mol%、YO1.50mol%、CeO215.5mol%) で示される特定5組成点を結ぶ線で囲まれた範囲内の組
成とすることができる。
This Y 2 O 3 , CeO 2 , ZrO 2 used in the production method of the present invention
As shown in the attached drawing, the composition ratio of the powder is as follows: Point A (ZrO 2 87.5 mol%, YO 1.5 12 mol) in the triangular coordinate system in which the three axes intersecting the equilateral triangle represent the mol% of ZrO 2 , YO 1.5 , and CeO 2 , respectively. %, CeO 2 0.5 mol%) Point B (ZrO 2 95.5 mol%, YO 1.5 4 mol%, CeO 2 0.5 mol%) Point C (ZrO 2 95.5 mol%, YO 1.5 2 mol%, CeO 2 2.5 mol%) Point D (ZrO 2 92.0mol%, YO 1.5 0mol%, CeO 2 8.0mol%) point E (ZrO 2 84.5mol%, YO 1.5 0mol%, CeO 2 15.5mol%) bounded by a line connecting a specific 5 composition point represented by The composition can be within the specified range.

また、本発明の製造方法に用いられる第2成分のうちA
i、Si、B、周期律表4a、5a、6a族元素のホウ化物、炭
化物、窒化物をAlN、TiC、TiN、TiCN、TiB2、Si3N4、Si
C、B4C、WC、TaC、NbC、Cr3C2、Cr2B、ZrN、ZrB2、Zr
C、HfN、HfB2、HfC、BNとすることができる。
Further, among the second components used in the production method of the present invention, A
i, Si, B, periodic table 4a, 5a, borides 6a group element, carbides, AlN nitride, TiC, TiN, TiCN, TiB 2, Si 3 N 4, Si
C, B 4 C, WC, TaC, NbC, Cr 3 C 2 , Cr 2 B, ZrN, ZrB 2 , Zr
It can be C, HfN, HfB 2 , HfC, BN.

さらに、本発明の製造方法に用いられるY2O3および/ま
たはCeO2を安定化剤として含むZrO2粉末は、ZrO2のゾル
および/または水溶性の塩をY2O3とCeO2を生ずる水溶性
の塩と共に溶液の状態で均一に混合した後、沈澱の形で
分離して得られたZrO2粉末とすることができる。なお、
第1発明及び第2発明を通じてZrO2の一部または全部を
HfO2で置換することができる。
Furthermore, the ZrO 2 powder containing Y 2 O 3 and / or CeO 2 as a stabilizer used in the production method of the present invention is a sol of ZrO 2 and / or a water-soluble salt of Y 2 O 3 and CeO 2 . The resulting ZrO 2 powder can be obtained by uniformly mixing the resulting water-soluble salt in a solution state and then separating it in the form of a precipitate. In addition,
Through the first and second inventions, some or all of ZrO 2
It can be replaced by HfO 2 .

[作用] 本発明の高靭性セラミック焼結体は、特定の安定化剤に
より安定化された正方晶ZrO2と所定の高弾性の第2成分
(又はさらに第3成分)の存在により、後述する実施例
の焼結体の強度、破壊靭性値、熱劣化試験結果を参照す
れば明らかなように、高強度、高靭性を発現し、従来よ
り、熱的に不安定とされる温度領域での長時間に亘る熱
劣化試験後も殆ど変化がなく、極めて高い強度を示し耐
熱安定性に著しく優れる。
[Operation] The high toughness ceramic sintered body of the present invention will be described later due to the presence of tetragonal ZrO 2 stabilized by a specific stabilizer and a predetermined highly elastic second component (or further third component). As is clear by referring to the strength, fracture toughness value, and thermal deterioration test result of the sintered body of the example, high strength and high toughness are developed, and in the temperature range where thermal instability is conventionally caused. It shows almost no change even after a long-term heat deterioration test, exhibits extremely high strength, and is extremely excellent in heat resistance stability.

これは第1に、CeO2とY2O3両者あるいはCeO2の添加によ
って安定化された正方晶ジルコニアの結晶構造が、従来
のY2O3のみによって安定化された正方晶ジルコニアよ
り、ジルコニアの高温安定相である立方晶の結晶構造に
より近くなっているためである。第2に、主として分散
成分をなす高弾性な第2成分の添加が正方晶の含有量を
高め、弾性率の上昇による破壊エネルギーの増大に寄与
し、高い強度を示すとともに第2成分の存在がZrO2の粒
界部分の強化に役立ち、また準安定正方晶ジルコニアの
安定性を高め、さらにCeO2成分の存在による安定性の相
乗効果の結果、耐熱安定性が著しく改善されるものと考
えられる。すなわち、ZrO2粒界、粒周囲に高弾性物質が
存在する微細組織となり、ZrO2粒子が周囲の高弾性物質
に取り囲まれ、体積膨張をともなう正方晶→単斜晶相転
移(熱劣化の際に生じる相転移及び、焼結体の破断時に
応力集中部分で生じる相転移現象)が生じにくくなり、
強度、熱安定性の向上に寄与するものと推察される。ま
た、第2成分の存在により硬度も改善され、ZrO2の耐摩
耗性を一段と優れたものとし、高温におけるジルコニア
焼結体の硬度、強度、クリープ等の機械的特性を改善す
るものである。
This is because, firstly, the crystal structure of tetragonal zirconia stabilized by the addition of both CeO 2 and Y 2 O 3 or CeO 2 is better than that of tetragonal zirconia stabilized by conventional Y 2 O 3 alone. This is because it is closer to the cubic crystal structure that is a high temperature stable phase of. Secondly, the addition of a highly elastic second component, which is mainly a dispersive component, increases the tetragonal content, contributes to an increase in fracture energy due to an increase in elastic modulus, exhibits high strength and the presence of the second component. It is thought that it helps to strengthen the grain boundary part of ZrO 2 , also enhances the stability of metastable tetragonal zirconia, and as a result of the synergistic effect of stability due to the presence of CeO 2 component, the heat stability is significantly improved. . That is, the ZrO 2 grain boundary has a fine structure in which a highly elastic substance exists around the grain, the ZrO 2 particles are surrounded by the highly elastic substance in the surroundings, and the tetragonal → monoclinic phase transition accompanied by volume expansion (during thermal degradation) And the phase transition phenomenon that occurs in the stress concentration part at the time of fracture of the sintered body)
It is presumed that it contributes to the improvement of strength and thermal stability. Further, the presence of the second component improves the hardness, further improves the wear resistance of ZrO 2 , and improves the mechanical properties such as hardness, strength and creep of the zirconia sintered body at high temperature.

本発明の焼結体に含まれ、熱的により安定で劣化を示さ
ないY2O3−CeO2−ZrO2系及びCeO2−ZrO2系の正方晶ジル
コニアは、準安定な正方晶であるために、ZrO2粒子近傍
に応力集中を受けた場合には、低温安定相である単斜晶
への変態を生じ、応力を緩和する作用を有する。このた
め、本発明の高靭性セラミック焼結体は著しい高強度、
高靭性を示すものである。
Contained in the sintered body of the present invention, Y 2 O 3 -CeO 2 -ZrO 2 system and tetragonal zirconia CeO 2 -ZrO 2 system does not exhibit the stable deterioration by thermal is metastable tetragonal Therefore, when stress is concentrated in the vicinity of the ZrO 2 particles, it transforms into a monoclinic crystal, which is a stable phase at low temperature, and has the effect of relaxing the stress. Therefore, the high toughness ceramic sintered body of the present invention has a significantly high strength,
It shows high toughness.

本発明では第2成分としてAl、Si、B、周期律表4a、5
a、6a族元素のホウ化物、炭化物、窒化物あるいはCr2O3
から選ばれた1種または2種以上を含有しているので、
これらを含有しないジルコニアセラミックスと比較し、
特に硬度に優れる。また第2成分に加え、さらに第3成
分としてAl2O3、MgO・Al2O3(スピネル)、3Al2O3・2
SiO2(ムライト)より選ばれた1種または2種以上を共
存させることにより、焼結体が高まり、密度の向上と共
に焼結体中の正方晶ジルコニア結晶の安定性も優れる。
さらにこれらの第2成分(又はさらに第3成分)(以下
総称して「分散成分」とも称する。)を含有させて熱間
プレス処理あるいは熱間静水圧プレス処理されることに
より、焼結体はより緻密なものとなり、一段と顕著に
(即ち、常圧焼結の場合と比べて約1.5倍以上)強度並
びに硬度が向上する。すなわち、熱間プレス処理、ある
いは熱間静水圧プレス処理は、焼結体に含まれる気孔等
の欠陥を除去し、緻密化が一層促進される。この緻密化
は、高弾性物質の存在とあいまって、体積膨張をともな
う正方晶→単斜晶相転移(熱劣化時に生じる相転移現
象、焼結体の破断時に生じる相転移現象)がより生じに
くくなり、耐熱安定性、強度の向上に寄与するものと推
察される。なお、耐熱安定性は、熱劣化試験結果により
裏付けられ、第一義的には、熱劣化試験後の曲げ強度の
測定によって確かめられる(第1表〜第3表参照)。
In the present invention, the second component is Al, Si, B, and the periodic table 4a, 5
Borides, carbides, nitrides or Cr 2 O 3 of group a and 6a
Since it contains one or more selected from
Compared with zirconia ceramics that do not contain these,
Especially excellent in hardness. In addition to the second component, further for Al 2 O 3 third component, MgO · Al 2 O 3 (spinel), 3Al 2 O 3 · 2
By coexisting one or more selected from SiO 2 (mullite), the sintered body is increased, the density is improved, and the stability of the tetragonal zirconia crystal in the sintered body is excellent.
Further, the second component (or further third component) (hereinafter, also collectively referred to as “dispersion component”) is contained and subjected to hot pressing or hot isostatic pressing to obtain a sintered body. It becomes more dense and more remarkably (that is, about 1.5 times or more compared with the case of normal pressure sintering), the strength and hardness are improved. That is, the hot pressing process or the hot isostatic pressing process removes defects such as pores contained in the sintered body and further promotes densification. This densification, combined with the presence of highly elastic materials, makes it more difficult for the tetragonal to monoclinic phase transition (phase transition that occurs during thermal degradation, phase transition that occurs when the sintered body breaks) with volume expansion. Therefore, it is presumed that it contributes to the improvement of heat stability and strength. The heat resistance stability is supported by the results of the heat deterioration test, and is primarily confirmed by measuring the bending strength after the heat deterioration test (see Tables 1 to 3).

本発明ではジルコニアの安定化剤としてY2O3及びCeO2
るいはCeO2を必要とする。Y2O3、CeO2、ZrO2の三成分の
配合量は、図面に示すような三角座標において、点A、
B、C、D、E、を結ぶ線で囲まれた範囲内で選ぶとよ
い。この範囲内であると正方晶の安定性が高く耐熱安定
性に優れるが、この範囲を外れると大幅に耐熱安定性が
低下し、また機械的特性も劣ったものとなる。すなわ
ち、点A(YO1.512mol%)よりもYO1.5を多く含むと靭
性が低下し、点B(YO1.54mol%)よりもYO1.5が少ない
場合には、耐熱安定性が失われる。点C(YO1.52mol
%、CeO22.5mol%)よりもYO1.5及びCeO2が少ない場合
は、耐熱安定性が乏しくなる。また、点D(CeO28mol
%)よりもCeO2が少ないと耐熱安定性が劣り、点E(Ce
O215.5mol%)よりもCeO2が多い場合には充分な機械的
強度が得られない。
The present invention requires Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer for zirconia. The compounding amounts of the three components of Y 2 O 3 , CeO 2 and ZrO 2 are as follows:
It is recommended to select within the range surrounded by the line connecting B, C, D and E. Within this range, the stability of the tetragonal crystal is high and the heat stability is excellent, but outside this range, the heat stability is significantly reduced and the mechanical properties are also poor. That is, if the content of YO 1.5 is larger than that of the point A (YO 1.5 12 mol%), the toughness is lowered, and if the content of YO 1.5 is smaller than that of the point B (YO 1.5 4 mol%), the heat stability is lost. Point C (YO 1.5 2mol
%, CeO 2 2.5 mol%), the heat stability becomes poor when YO 1.5 and CeO 2 are less than the above. In addition, point D (CeO 2 8 mol
%) Is less than CeO 2 , heat stability is poor, and point E (Ce
If CeO 2 is more than O 2 ( 15.5 mol%), sufficient mechanical strength cannot be obtained.

本発明をより効果あるものとするためには、上記三成分
の配合量を図面に示すような三角座標において、 点A(ZrO287.5mol%、YO1.512mol%、CeO20.5mol%) 点H(ZrO294.5mol%、YO1.54mol%、CeO21.5mol%) 点G(ZrO294.5mol%、YO1.52.5mol%、CeO23mol%) 点F(ZrO281mol%、YO1.50mol%、CeO29mol%) 点E(ZrO284.5mol%、YO1.50mol%、CeO215.5mol%) を結ぶ実線で囲まれる範囲内に選択するとよい。なお、
Y2O3の一部をNd2O3、Yb2O3、La2O3、Er2O3等の希土類金
属酸化物で置換する事も可能である。
In order to make the present invention more effective, in the triangular coordinates as shown in the drawing, the blending amounts of the above three components are point A (ZrO 2 87.5 mol%, YO 1.5 12 mol%, CeO 2 0.5 mol%) point H (ZrO 2 94.5mol%, YO 1.5 4mol%, CeO 2 1.5mol%) point G (ZrO 2 94.5mol%, YO 1.5 2.5mol%, CeO 2 3mol%) point F (ZrO 2 81mol%, YO 1.5 0mol %, CeO 2 9mol%) point E (ZrO 2 84.5mol%, YO 1.5 0mol%, may be selected within the range surrounded by the solid line connecting the CeO 2 15.5mol%). In addition,
It is also possible to replace a part of Y 2 O 3 with a rare earth metal oxide such as Nd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , La 2 O 3 and Er 2 O 3 .

本発明では分散成分を1〜70内部重量%含む必要があ
る。分散成分の添加量を限定した理由は、1内部重量%
以下では添加の効果が少なく、70内部重量%以上では靭
性あるZrO2の含有量を低めるからである。
In the present invention, it is necessary to contain the dispersion component in an amount of 1 to 70% by weight. The reason for limiting the addition amount of the dispersion component is 1 internal weight%
This is because if the content is 70% by weight or more, the content of tough ZrO 2 is reduced.

本発明をより効果あるものとするためには分散成分の添
加量を5〜50内部重量%の範囲に選択するとよい。な
お、この範囲を越えた場合、分散成分の粒径にもよるが
焼結体全体の中で分散成分も連続相となる場合がある。
In order to make the present invention more effective, it is advisable to select the addition amount of the dispersion component in the range of 5 to 50% by weight. If it exceeds this range, the dispersed component may become a continuous phase in the entire sintered body depending on the particle size of the dispersed component.

これら分散成分としては、Al2O3、MgO・Al2O3(スピネ
ル)、3Al2O3・2SiO2(ムライト)(以上第3成
分)、Cr2O3、AlN、TiC、TiN、TiCN、TiB2、Si3N4、Si
C、B4C、WC、TaC、NdC、Cr3C2、Cr2B、ZrN、ZrB2、Zr
C、HfN、HfB2、HfC、BN、及びこれらの相互固溶体(以
上第2成分)が上げられ、好ましいものである。特に第
2成分としてはAlN、TiC、TiN、TiCN、TiB2、Si3N4、Si
C、B4C、WC、TaC、NdCが第3成分としてはAl2O3がよ
い。
These dispersion components include Al 2 O 3 , MgO · Al 2 O 3 (spinel), 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 (mullite) (the above third component), Cr 2 O 3 , AlN, TiC, TiN, TiCN. , TiB 2 , Si 3 N 4 , Si
C, B 4 C, WC, TaC, NdC, Cr 3 C 2 , Cr 2 B, ZrN, ZrB 2 , Zr
C, HfN, HfB 2 , HfC, BN, and mutual solid solutions thereof (the above second component) are preferable, which are preferable. Especially as the second component, AlN, TiC, TiN, TiCN, TiB 2 , Si 3 N 4 , Si
Al 2 O 3 is preferable as C, B 4 C, WC, TaC and NdC as the third component.

本発明の製造方法は、通常次のように実施される。Y2O3
及びCeO2を安定化剤として含むZrO2粉末あるいはY2O3
びCeO2及びZrO2粉末に対し、分散粉末としてAl、Si、
B、周期律表4a、5a、6a族元素のホウ化物、炭化物、窒
化物、Cr2O3から選ばれた1種または2種以上の粉末を
1〜70内部重量%の範囲で加えた粉末を粉砕混合したの
ち、あるいは分散成分としてAl、Si、B、周期律表4a、
5a、6a族元素のホウ化物、炭化物、窒化物、Cr2O3から
選ばれた1種または2種以上の粉末と、Al2O3、MgO.Al2
O3(スピネル)、3Al2O3・2SiO2(ムライト)から選
ばれた1種または2種以上の粉末を合計で1〜70内部重
量%の範囲で加えた粉末を粉砕混合したのち、必要に応
じてポリビニールアルコール等の成形助剤を加えて所定
の形状にし、分散成分が酸化物である場合は大気中、真
空中、酸素雰囲気中、水素雰囲気中、N2、アルゴンガス
等の不活性ガス雰囲気、また、分散成分が非酸化物を含
む場合には真空中、N2、アルゴンガス等の不活性ガス雰
囲気など非酸化雰囲気中で、常圧、加圧下、1350〜1650
℃で0.5〜5hr焼成する。
The manufacturing method of the present invention is usually carried out as follows. Y 2 O 3
And ZrO 2 powder or Y 2 O 3 and CeO 2 and ZrO 2 powder containing CeO 2 as a stabilizer, Al, Si as a dispersion powder,
B, powder containing one or more powders selected from boride, carbide, nitride and Cr 2 O 3 of group 4a, 5a and 6a of the periodic table in an amount of 1 to 70% by weight. After pulverizing and mixing, or Al, Si, B as a dispersion component, Periodic Table 4a,
One or more powders selected from borides, carbides, nitrides and Cr 2 O 3 of 5a and 6a group elements, and Al 2 O 3 and MgO.Al 2
O 3 (spinel), 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 After the powder was added in a range of 1 to 70 internal wt% in total of one or more powders selected from (mullite) were mixed and ground, must the predetermined shape by adding a molding aid such as polyvinyl alcohol in accordance with, the atmosphere when the dispersion component is an oxide, in vacuum, in an oxygen atmosphere, a hydrogen atmosphere, N 2, such as argon gas- active gas atmosphere, also in a vacuum if the dispersion component comprises a non-oxide, N 2, an inert gas atmosphere such as argon gas in a non-oxidizing atmosphere, atmospheric pressure, under pressure, from 1,350 to 1,650
Bake for 0.5 to 5 hours at ℃.

特に非酸化物分散成分量が多い場合には、ホットプレス
法(HP法)またはホットアイソスソタテチックプレス法
(HIP法)を適用することが好ましい。HP法の場合は非
酸化性雰囲気中で成形体をモールド内に装填し、50〜30
0kg/cm2の圧力下1350〜1650℃で焼成する。HIP法の場合
は常圧焼結、ガス加圧焼結、ホットプレス等で予め相対
密度95%以上の非通気性焼結体を得たのち、熱間静水圧
プレス内にて1000kg/cm2以上のガス圧力、1100℃以上18
00℃の温度条件にて0.5hr以上の焼結を行うことが好適
である。あるいはカプセル中に混合粉末を充填し、その
まま熱間静水圧プレス処理する方法もまた好適である。
Particularly when the amount of the non-oxide dispersed component is large, it is preferable to apply the hot pressing method (HP method) or the hot isossotactic pressing method (HIP method). In the case of HP method, the molded product is loaded into the mold in a non-oxidizing atmosphere and
Baking at 1350 to 1650 ° C under a pressure of 0 kg / cm 2 . In the case of the HIP method, after obtaining a non-breathable sintered body with a relative density of 95% or more in advance by atmospheric pressure sintering, gas pressure sintering, hot pressing, etc., 1000 kg / cm 2 in a hot isostatic press. Above gas pressure, 1100 ℃ or above 18
It is preferable to perform sintering for 0.5 hr or more under the temperature condition of 00 ° C. Alternatively, a method in which the mixed powder is filled in a capsule and hot isostatic pressing is performed as it is is also suitable.

ZrO2粉末としては、比表面積10m2/g以上、好ましくは15
m2/g以上、より好ましくは25m2/g以上のものを用いる。
As the ZrO 2 powder, a specific surface area of 10 m 2 / g or more, preferably 15
m 2 / g or more, more preferably 25 m 2 / g or more is used.

本発明の部分安定化ジルコニアはZrO2のゾルおよび/ま
たは水溶性の塩を安定化剤の水溶性の塩と共に溶液の状
態で均一に混合した後沈澱の形で分離して得られた原料
を用いれば、ZrO2に安定化剤が均一に分散し、極めて微
粒子からなる易焼結性の粉体を原料とすることができ
る。この結果、微粒で均一な組成を有し、マイクロポア
の殆どない焼結体が得られ、強度及び靭性についても初
期の値が得られる。
The partially stabilized zirconia of the present invention comprises a raw material obtained by uniformly mixing a sol of ZrO 2 and / or a water-soluble salt with a water-soluble salt of a stabilizer in a solution state, and then separating it in the form of a precipitate. If used, the stabilizer can be uniformly dispersed in ZrO 2 , and a raw material can be an easily sinterable powder composed of extremely fine particles. As a result, a sintered body having fine particles and a uniform composition and almost no micropores is obtained, and initial values of strength and toughness are obtained.

本発明において、分散成分として使用する原料の純度は
98%以上のものが好ましいが、90〜98%のものも有効に
使用できる。粒度は極微粒の場合、平均粒径よりも比表
面積で表すことが適当であり、本発明の目的を達成する
には、比表面積5m2/g以上好ましくは10m2/g以上のもの
を使用することがよい。
In the present invention, the purity of the raw material used as the dispersion component is
It is preferably 98% or more, but 90 to 98% can be effectively used. In the case of ultrafine particles, it is appropriate to express the specific surface area by the specific surface area rather than the average particle diameter. To achieve the object of the present invention, a specific surface area of 5 m 2 / g or more, preferably 10 m 2 / g or more is used. Good to do.

なお、本発明の高靭性セラミック焼結体は、耐熱安定性
を高めるため焼結体の相対密度が95%以上が好ましく、
より好ましくは98%以上(さらに好ましくは99%以上、
最も好ましくは99.5%以上)がよい。また、相対密度が
高いほど焼結体に含まれる正方晶ジルコニアの安定性が
高まり、耐熱安定性、強度及び靭性にすぐれる。
Incidentally, the high toughness ceramic sintered body of the present invention, the relative density of the sintered body is preferably 95% or more in order to enhance heat stability,
More preferably 98% or more (more preferably 99% or more,
Most preferably, it is 99.5% or more). Further, the higher the relative density, the higher the stability of the tetragonal zirconia contained in the sintered body, and the better the heat stability, the strength and the toughness.

本発明の組成を有するジルコニア焼結体は主として正方
晶より成る部分安定化ジルコニアであるので、高強度・
高靭性を示す。本来正方晶は準安定相であるため試料表
面の研削によって一部が単斜晶へ転移を生じ表面層の残
留圧縮応力により焼結体の強化に寄与する。この強化の
程度は研削による表面粗さと焼結体の粒径に依存してい
る。このため、本発明による主として正方晶よりなる部
分安定化ジルコニアとは、X線回折による結晶相の測定
において鏡面状態で正方晶系を少なくとも50%以上含む
ジルコニアをいう。正方晶系が50以下になると、靭性が
低下するので正方晶系は50%以上含まれることが必要で
ある。
Since the zirconia sintered body having the composition of the present invention is a partially stabilized zirconia mainly composed of tetragonal crystals, it has high strength.
Shows high toughness. Since the tetragonal system is a metastable phase by nature, a part of the sample surface is transformed into a monoclinic structure by grinding and the residual compressive stress of the surface layer contributes to strengthening of the sintered body. The degree of this strengthening depends on the surface roughness due to grinding and the grain size of the sintered body. Therefore, the partially stabilized zirconia mainly composed of tetragonal crystals according to the present invention means zirconia containing at least 50% or more of tetragonal system in a mirror state in the measurement of the crystal phase by X-ray diffraction. If the tetragonal system is 50 or less, the toughness is lowered, so that it is necessary that the tetragonal system is contained in 50% or more.

本発明の焼結体は、焼結体に含まれる正方晶ジルコニア
の平均結晶粒子径が2μm以下であることが必要であ
る。好ましくは1μm以下であることが良い。さらに好
ましくは0.5μm以下が良い。平均結晶粒子径が2μm
を越えると単斜晶に変わり靭性が低下する。また、正方
晶ジルコニアの平均粒子径が小さい程、安定性が向上し
耐熱安定性に優れたものとなる。
In the sintered body of the present invention, the average crystal grain size of tetragonal zirconia contained in the sintered body needs to be 2 μm or less. It is preferably 1 μm or less. More preferably, it is 0.5 μm or less. Average crystal grain size is 2 μm
If it exceeds 1.0, it changes to monoclinic and the toughness decreases. Further, the smaller the average particle size of the tetragonal zirconia, the higher the stability and the more excellent the heat resistance stability becomes.

本発明において、ジルコニアの平均結晶粒子径はCuKα
線を用いたX線回折法で行い、式として D=0.89λ/(B−b)cosθ より求めた。ここでDは求めるジルコニアの結晶粒子
径、λはCuKα線の波長で1.541、Bはジルコニアの単斜
晶(111)面あるいは正方晶(111)面の回折線の半減値
幅(ラジアン)のうち大きい方の値、bは内部標準とし
て添加する結晶粒子径3000以上のα石英の(101)面の
半減値幅(ラジアン)、θはジルコニアの半減値幅の測
定に用いた回折線の回折角2θの1/2の値である。
In the present invention, the average crystal particle size of zirconia is CuKα
It was carried out by an X-ray diffraction method using an X-ray, and was obtained from the equation as D = 0.89λ / (B−b) cos θ. Here, D is the crystal grain size of the zirconia to be obtained, λ is the wavelength of the CuKα line, 1.541, and B is the largest half-value width (radian) of the diffraction line of the monoclinic (111) plane or tetragonal (111) plane of zirconia. Value, b is the half-value width (radian) of the (101) plane of α-quartz with a crystal grain size of 3000 or more to be added as an internal standard, and θ is the diffraction angle 2θ of the diffraction line used to measure the half-value width of zirconia The value is / 2.

本発明のジルコニア焼結体のZrO2は、その一部以上全部
までHfO2によって置換しても、全く同様の特性を示すも
のである。
The ZrO 2 of the zirconia sintered body of the present invention exhibits the same characteristics even if a part or more of the ZrO 2 is replaced with HfO 2 .

[実施例] 以下に本発明の実施例を説明し、本発明の効果を明らか
にする。
[Examples] Examples of the present invention will be described below to clarify the effects of the present invention.

(実施例1) 得られる粉末が第1表の割合になるように、純度99.9%
のオキシ塩化ジルコニウムの水溶液の加水分解によって
得られたジルコニアゾル溶液に、純度99.9%の塩化イッ
トリウム、純度99.9%の塩化セリウムを加え、均一に混
合した溶液をアルカリで凝結させ水酸化物の沈澱とし、
これを脱水乾燥し、900℃にて仮焼して部分安定化ジル
コニア粉末を得た。この粉末は25m2/gの比表面積を示
す。
(Example 1) Purity 99.9% so that the obtained powder has the ratio shown in Table 1.
To a zirconia sol solution obtained by hydrolysis of an aqueous solution of zirconium oxychloride, 99.9% pure yttrium chloride and 99.9% pure cerium chloride were added, and the homogeneously mixed solution was condensed with an alkali to form a hydroxide precipitate. ,
This was dehydrated and dried, and calcined at 900 ° C. to obtain partially stabilized zirconia powder. This powder exhibits a specific surface area of 25 m 2 / g.

この粉末に平均粒径0.3μm、純度99.9%のAl2O3及び平
均粒径0.1μm、純度99.9%の微粒TiNを第1表の割合で
加え、湿式混合後乾燥させた粉末を、1.5ton/cm2の圧力
で等方的に成形し、窒素中で1400〜1650℃の温度で2時
間焼成した。得られた焼結体に含まれる正方晶のジルコ
ニアの平均結晶粒子径は全て2μm以下であった。
To this powder, Al 2 O 3 having an average particle size of 0.3 μm and a purity of 99.9% and fine TiN having an average particle size of 0.1 μm and a purity of 99.9% were added at the ratio shown in Table 1, and the powder obtained by wet mixing and drying was added to 1.5 ton. It was molded isotropically at a pressure of / cm 2 and fired in nitrogen at a temperature of 1400-1650 ° C. for 2 hours. The average crystal grain size of the tetragonal zirconia contained in the obtained sintered body was 2 μm or less.

得られた焼結体は、3×4×40mmに切断研磨加工し、嵩
密度、結晶相、曲げ強度、及び破壊靭性並びに熱劣化試
験後の焼結体表面の結晶相及び曲げ強度を測定しその結
果を第1表に示す。
The obtained sintered body was cut and polished into 3 × 4 × 40 mm, and the bulk density, crystal phase, bending strength, fracture toughness, and crystalline phase and bending strength of the surface of the sintered body after the heat deterioration test were measured. The results are shown in Table 1.

なお、各物性の測定方法として、曲げ強度はJIS規格に
従い、3×4×40mm試料片を用い、スパン30mm、クロス
ヘッド速度0.5mm/minの3点曲げにより10本の平均値を
示した。
As a method of measuring each physical property, bending strength was measured in accordance with JIS standards using a 3 × 4 × 40 mm sample piece, and an average value of 10 pieces was shown by 3-point bending at a span of 30 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min.

破壊靭性は、マイクロインデンテーション法により、荷
重50kgで圧痕を入れて測定を行い、KIC値は新原らの式
を用いた。
The fracture toughness was measured by the microindentation method with an indentation at a load of 50 kg, and the KIC value was calculated using the Nihara's equation.

結晶相の定量測定は、X線回折法によって行った。すな
わち、ダイヤモンドペーストにて鏡面研磨した試料の単
斜晶の(111)面と(111)面の積分強度IMと正方晶の
(111)面及び立方晶の(111)面の積分強度IT、ICより
単斜晶量は、 の式により決定した。次に焼結体を5μm以下に微粉砕
し、X線回折により同条件で単斜晶ZrO2と立方晶ZrO2
積分強度IM*及びIC*を求めた。この微粉砕の過程で焼結
体中に存在していた正方晶ZrO2は機械的応力によりすべ
て単斜晶ZrO2へ変態すると考えられる。よって立方晶量
は、 により決定し、これより正方晶は (正方晶量)=100−{(単斜晶量)+(立方晶量)} により決定した。
The quantitative measurement of the crystal phase was performed by the X-ray diffraction method. That is, the integrated intensity IM of the monoclinic (111) face and the (111) face of the sample mirror-polished with diamond paste and the integrated intensity IT, IC of the tetragonal (111) face and the cubic (111) face A more monoclinic amount is It was determined by the formula Next, the sintered body was finely pulverized to 5 μm or less, and the integrated strengths IM * and IC * of monoclinic ZrO 2 and cubic ZrO 2 were determined by X-ray diffraction under the same conditions. It is considered that tetragonal ZrO 2 existing in the sintered body during the pulverization process is transformed into monoclinic ZrO 2 by mechanical stress. Therefore, the cubic amount is From this, the tetragonal crystal was determined by (tetragonal crystal amount) = 100-{(monoclinic crystal amount) + (cubic crystal amount)}.

熱劣化試験は、300℃の電気炉内に3000時間保持した
後、試料を取り出し物性を測定した。熱劣化試験後の単
斜晶量は、試料表面のX線回折により同様に上記(1)
式より求めた。
In the heat deterioration test, after holding in an electric furnace at 300 ° C. for 3000 hours, a sample was taken out and the physical properties were measured. The amount of monoclinic crystals after the heat deterioration test is the same as the above (1) according to the X-ray diffraction of the sample surface.
Calculated from the formula.

本実施例では、添加成分としてAl2O3とTiNの一定量(本
実施例では20重量%及び10重量%)を添加し、YO1.5
0〜10mol%まで順次段階的に増やしながらCeO2を種々
のmol%で添加したものである。
In this example, a fixed amount of Al 2 O 3 and TiN (20% by weight and 10% by weight in this example) were added as additive components, and YO 1.5 was gradually increased to 0 to 10 mol% while CeO 2 was gradually increased. Was added at various mol%.

第1表において、本発明の実施例は熱劣化試験後の曲げ
強度が、100kg/mm2以上であるが、比較例はこれよりは
るかに低い強度を示す。また同試験後の単斜晶をみる
と、大きく増大したものはいずれも曲げ強度の劣化を示
す。(以下の実施例の場合も同様) 第1表において、試料No.1〜5はYO1.5を全く添加せ
ず、CeO2の添加モル数を順次増やしたものである。比較
例であるNo.1は、ZrO2、YO1.5、CeO2のmol%を表示した
三角座標の組成点DよりもCeO2を少なく含むものである
が、熱劣化試験後の単斜晶量が多く曲げ強度が極めて低
い。また、逆に三角座標の組成点EよりもCeO2を多く含
むNo.5は、破壊靭性、曲げ強度共に低い値しか得られな
い。これに対して点Dと点Eと間の組成である本発明例
No.2〜4は相対密度、破壊靭性、曲げ強度のいずれも高
い値を示し熱劣化試験後も単斜晶への転移が見られず曲
げ強度も殆ど劣化しないことが判明した。
In Table 1, the examples of the present invention have a bending strength of 100 kg / mm 2 or more after the heat deterioration test, while the comparative examples show a much lower strength. In addition, when looking at the monoclinic crystals after the same test, those that greatly increased show deterioration in bending strength. (The same applies to the following examples.) In Table 1, sample Nos. 1 to 5 are obtained by not adding YO 1.5 at all and gradually increasing the number of moles of CeO 2 added. Comparative Example No. 1 contains less CeO 2 than the composition point D on the triangular coordinate showing mol% of ZrO 2 , YO 1.5 , and CeO 2 , but the amount of monoclinic crystals after the heat deterioration test is large. Bending strength is extremely low. On the contrary, No. 5 containing a larger amount of CeO 2 than the composition point E of the triangular coordinate has low fracture toughness and bending strength. On the other hand, an example of the present invention having a composition between point D and point E
Nos. 2 to 4 exhibited high values of relative density, fracture toughness, and bending strength, and it was found that no transition to monoclinic crystals was observed even after the heat deterioration test, and bending strength hardly deteriorated.

試料No.6〜9は、YO1.5を2.5mol%としCeO2の添加mol%
を変えたものである。比較例であるNo.6はZrO2、Y
O1.5、CeO2のmol%を表示した三角座標のABCDEの5組組
成点で囲まれた範囲よりもCeO2の少ない側に外れた組成
のものであるが、曲げ強度、破壊靭性共に高い値を示す
ものの、熱劣化試験後における単斜晶が多く強度の劣化
が甚だしい。試料No.9はZrO2、YO1.5、CeO2のmol%を表
示した三角座標のABCDEの5組成点で囲まれた範囲より
もCeO2の多い側に外れた比較例であるが、相対密度は高
いものの破壊靭性、曲げ強度に充分な値がえられない。
これに対して三角座標のABCDEの5組成点で囲まれた範
囲内にある発明例No.7〜8は、破壊靭性、曲げ強度共に
高い値が得られ、熱劣化試験によっても単斜晶への転移
が起こらず強度の劣化が見られないことが確認された。
Sample Nos. 6 to 9 have YO 1.5 at 2.5 mol% and CeO 2 addition mol%
Is a change. Comparative example No. 6 is ZrO 2 , Y
The composition is out of the range surrounded by five composition points of ABCDE in the triangular coordinate showing the molar percentage of O 1.5 and CeO 2 , which is less on the side with less CeO 2 , but the bending strength and fracture toughness are both high values. However, there are many monoclinic crystals after the heat deterioration test, and the deterioration of strength is remarkable. Sample No. 9 is a comparative example in which there is more CeO 2 than the range surrounded by the five composition points of ABCDE in the triangular coordinate showing the mol% of ZrO 2 , YO 1.5 , and CeO 2 , but the relative density Although high, the fracture toughness and bending strength cannot be sufficiently obtained.
On the other hand, in Invention Examples Nos. 7 to 8 which are within the range surrounded by the five composition points of ABCDE in the triangular coordinate, both fracture toughness and bending strength were high, and the monoclinic crystal was obtained by the heat deterioration test. It was confirmed that no change in strength occurred and no deterioration in strength was observed.

試料No.10〜14はYO1.5組成を4mol%とし、CeO2の添加mo
l%を変化させたものである。比較例No.10はCeO2を全く
添加せず、上記三角座標のABCDEの5組成点で囲まれた
範囲外となるものであるが、曲げ強度、破壊靭性共に高
い値を示すものの、熱劣化試験後における単斜晶が多く
強度の劣化が甚だしい。また、CeO2を上記三角座標のAB
CDEの5組成点で囲まれた範囲よりも多く添加した比較
例No.14は相対密度は高いものの破壊靭性、曲げ強度に
充分な値が得られない。これに対してCeO2の添加量が上
記三角座標のABCDEの5組成点で囲まれた範囲である発
明例No.11〜13は、破壊靭性、曲げ強度共に高い値が得
られ、熱劣化試験によっても単斜晶への転移が起こら
ず、強度も劣化しないことが明らかになった。
Sample Nos. 10 to 14 had a YO 1.5 composition of 4 mol% and had a CeO 2 addition mo
It is a variation of l%. Comparative Example No. 10 has no CeO 2 added and is outside the range surrounded by the five composition points of ABCDE in the above-mentioned triangular coordinate, but both bending strength and fracture toughness show high values, but thermal degradation There are many monoclinic crystals after the test, and the deterioration of strength is remarkable. In addition, CeO 2 is AB of the above-mentioned triangular coordinate.
Comparative Example No. 14, which was added more than the range surrounded by the five composition points of CDE, had a high relative density but could not obtain sufficient values for fracture toughness and bending strength. On the other hand, in the invention examples Nos. 11 to 13 in which the amount of CeO 2 added was in the range surrounded by the five composition points of ABCDE in the above-mentioned triangular coordinates, both fracture toughness and bending strength were high, and the heat deterioration test was performed. It was clarified that the transition to monoclinic crystal did not occur and the strength did not deteriorate.

以下同様に、試料No.15〜18はYO1.5の組成を6mol%と
し、試料No.19〜22はYO1.5の組成を8mol%として、それ
ぞれのCeO2を0〜12mol%添加したものであり、試料No.
23はYO1.5の組成を10mol%としてCeO2を2mol%添加した
ものである。CeO2を全く添加しない比較例であるNo.15
及びNo.19は、相対密度は高いものの熱劣化試験後の単
斜晶への転移が多く、曲げ強度の劣化が著しい。また、
CeO2を、ZrO2、YO1.5、CeO2のmol%を表示した三角座標
のABCDEの5組成点で囲まれた範囲よりも多く添加した
比較例であるNo.18及びNo.22では、相対密度は高いもの
の破壊靭性、曲げ強度に充分な値がえられない。これに
比較して本発明の組成範囲であるZrO2、YO1.5、CeO2のm
ol%を表示した三角座標のABCDEの5組成点で囲まれた
範囲内のYO1.5及びCeO2を含む試料No.16〜17、No.20〜2
1、No.23は、いずれも破壊靭性、曲げ強度ともに高い値
が得られ、熱劣化試験によっても単斜晶への転移が起こ
らず強度の劣化が見られないことが確認された。なお、
本発明の他の分散成分及び添加量においても本実施例と
同様の結果が得られることが確認された。NO.23は、正
方晶の下限50%に近い例を示す。
Similarly, sample Nos. 15 to 18 have a YO 1.5 composition of 6 mol%, and sample Nos. 19 to 22 have a YO 1.5 composition of 8 mol%, and each CeO 2 is added to 0 to 12 mol%. , Sample No.
No. 23 has a composition of YO 1.5 of 10 mol% and 2 mol% of CeO 2 added. No. 15 which is a comparative example without adding CeO 2 at all
In No. 19 and No. 19, although the relative density was high, there were many transitions to monoclinic crystals after the heat deterioration test, and the bending strength was significantly deteriorated. Also,
The CeO 2, the ZrO 2, YO 1.5, is more comparative examples were added than the range surrounded by the 5 composition point of ABCDE of the triangular coordinates displaying the mol% of CeO 2 No.18 and No.22, the relative Although the density is high, sufficient values cannot be obtained for fracture toughness and bending strength. In comparison with this, m of ZrO 2 , YO 1.5 , and CeO 2 , which are composition ranges of the present invention, are compared.
Sample Nos. 16 to 17 and No. 20 to 2 containing YO 1.5 and CeO 2 within the range surrounded by 5 composition points of ABCDE with triangular coordinates showing ol%
In No. 1 and No. 23, both high fracture toughness and high bending strength were obtained, and it was confirmed by the heat deterioration test that the transition to monoclinic crystal did not occur and the strength was not deteriorated. In addition,
It was confirmed that the same results as in this example were obtained with other dispersion components and addition amounts of the present invention. NO.23 shows an example close to the lower limit of 50% of tetragonal.

(実施例2) 25m2/gの比表面積を有する純度99%以上の単斜晶系ジル
コニアに対し、安定化剤としてY2O3、CeO2を第2表の割
合で添加し、これに分散成分として、平均粒径0.3μ
m、純度99.9%のAl2O3、平均粒径0.3μm、純99.9%の
MgO・Al2O3(スピネル)、比表面積28m2/g、Al2O3/SiO
2比が71.8/28.2の合成ムライト(3Al2O3・2SiO2)、
平均粒径0.5μm、純度99%のCr2O3及び純度98%以上、
比表面積10m2/g以上のAlN、TiC、TiN、TiCN、TiB2、Si3
N4、SiC、B4C、WC、TaC、NbC、Cr3C2、Cr2B、ZrN、Zr
B2、ZrC、HfB2、BNを第2表の割合で加え、湿式混合後
乾燥させた粉末をカーボン型に充填し、200kg/cm2、140
0〜1500℃の条件で、ホットプレス法により約1時間焼
成した。
Example 2 To monoclinic zirconia having a specific surface area of 25 m 2 / g and a purity of 99% or more, Y 2 O 3 and CeO 2 as stabilizers were added at the ratios shown in Table 2 and added thereto. Average particle size of 0.3μ
m, purity 99.9% Al 2 O 3 , average particle size 0.3 μm, pure 99.9%
MgO ・ Al 2 O 3 (spinel), specific surface area 28 m 2 / g, Al 2 O 3 / SiO
2 Synthetic mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) with a ratio of 71.8 / 28.2,
Cr 2 O 3 with an average particle size of 0.5 μm and a purity of 99% and a purity of 98% or more,
AlN, TiC, TiN, TiCN, TiB 2 , Si 3 with a specific surface area of 10 m 2 / g or more
N 4 , SiC, B 4 C, WC, TaC, NbC, Cr 3 C 2 , Cr 2 B, ZrN, Zr
B 2, ZrC, added at a rate of 2, BN Table 2 HfB, filled with powder obtained by drying after the wet mixture in a carbon mold, 200kg / cm 2, 140
Firing was performed for about 1 hour by the hot pressing method under the condition of 0 to 1500 ° C.

得られた焼結体に含まれる正方晶ジルコニアの平均結晶
粒子は、総て2μm以下であった。得られた焼結体は、
実施例1と同様にして嵩密度、結晶相、曲げ強度、及び
破壊靭性並びに熱劣化試験後の結晶体表面の結晶及び曲
げ強度を測定し、結果を第2表に示した。
The average crystal grains of tetragonal zirconia contained in the obtained sintered body were all 2 μm or less. The obtained sintered body is
The bulk density, crystal phase, flexural strength, fracture toughness, and crystal and flexural strength of the crystal surface after the heat deterioration test were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.

本実施例では、安定化剤としてYO1.5を3mol%、CeO2を6
mol%添加し、これに種々の分散成分を30重量%を加え
たものである。
In this example, 3 mol% of YO 1.5 and 6 of CeO 2 were used as stabilizers.
Mol% was added, and 30% by weight of various dispersion components were added thereto.

試料No.28〜31、33〜34は、AlN、TiC、TiN、TiCN、Si3N
4、SiCを単独で30重量%添加したものである。また、試
料No.27、32、36〜43、45は、Al2O325重量%と、Cr
2O3、TiB2、B4C、WC、TaC、NbC、Cr3C2、Cr2B、ZrN、Zr
B2、ZrC、BNをそれぞれ5重量%添加したものであり、
試料No.44及び46は、Si3N425重量%と、HfB2またはTiN
を5重量%加えたものである。第2表から明らかなよう
に、分散成分を単独で添加したものも2種類添加したの
も、いずれもZrO2中の正方晶は約90%であり、相対密
度、破壊靭性及び曲げ強度が高く、熱劣化試験によって
も単斜晶への転移が見られず、曲げ強度も殆ど劣化しな
い。なお、試料No.47は安定化剤としてY2O3のみを含有
する比較例であるが、合計で30重量%の分散成分の添加
によっても、熱劣化が甚だしく、熱劣化試験後において
は単斜晶量が増加し、曲げ強度が著しく劣化してしま
う。
Sample Nos. 28 to 31, 33 to 34 are AlN, TiC, TiN, TiCN, Si 3 N
4 , SiC alone is added at 30% by weight. In addition, sample Nos. 27, 32, 36 to 43, and 45 are Al 2 O 3 25 wt%, Cr
2 O 3 , TiB 2 , B 4 C, WC, TaC, NbC, Cr 3 C 2 , Cr 2 B, ZrN, Zr
5% by weight of B 2 , ZrC and BN are added respectively,
Sample Nos. 44 and 46 contain 25% by weight of Si 3 N 4 and HfB 2 or TiN.
5% by weight is added. As is clear from Table 2, both the dispersion component added alone and the two types added both contained about 90% of tetragonal crystals in ZrO 2 and had high relative density, fracture toughness and bending strength. In the heat deterioration test, no transition to monoclinic crystals was observed, and bending strength was hardly deteriorated. Sample No. 47 is a comparative example containing only Y 2 O 3 as a stabilizer, but even if a total of 30% by weight of the dispersant was added, the heat deterioration was severe, and after the heat deterioration test, simple deterioration was observed. The amount of orthorhombic crystals increases, and bending strength deteriorates significantly.

(実施例3) 得られる粉末が第3表の割合になるように、純度99.9%
のオキシ塩化ジルコニウムの水溶液の加水分解によって
得られたジルコニアゾル溶液に、純度99.9%の塩化イッ
トリウム、純度99.9%の塩化セリウムを加え、均一に混
合した溶液をアルカリで凝結させ、水酸化物の沈澱と
し、これを脱水乾燥し900℃にて仮焼して部分安定化ジ
ルコニア粉末を得た。この粉末は25m2/gの比表面積を示
す。
(Example 3) Purity 99.9% so that the obtained powder has the ratio shown in Table 3.
Zirconia sol solution obtained by hydrolysis of zirconium oxychloride solution in water was added with yttrium chloride with 99.9% purity and cerium chloride with 99.9% purity, and the uniformly mixed solution was condensed with alkali to precipitate hydroxide. This was dehydrated, dried, and calcined at 900 ° C. to obtain a partially stabilized zirconia powder. This powder exhibits a specific surface area of 25 m 2 / g.

この粉末に、平均粒径0.3μm、純度99.9%のAl2O3、及
び比表面積10m2/g以上、純度98%以上のTiCN、SiC、Si3
N4、AlNを、分散成分として第3表の割合で加え、湿式
混合後乾燥させた粉末を、1.5ton/cm2の圧力で等方的に
成形し、1350〜1500℃の温度で2時間予備焼結するか、
あるいは200kg/cm21350〜1500℃で1時間ホットプレス
して、理論密度の95%以上の非通気性焼結体を得た。こ
の焼結体をArガス雰囲気中で2000kg/cm2の圧力下1450〜
1600℃で1時間、熱間静水圧プレス内にて焼結を行っ
た。得られた焼結体に含まれる正方晶ジルコニアの平均
粒子は総て2μm以下であった。
This powder contains Al 2 O 3 with an average particle size of 0.3 μm and a purity of 99.9%, and TiCN, SiC, Si 3 with a specific surface area of 10 m 2 / g or more and a purity of 98% or more.
N 4, AlN was added at a ratio of Table 3 as a dispersion component, a powder obtained by drying after the wet mixing, shaping isotropically at a pressure of 1.5 ton / cm 2, 2 hours at a temperature of from 1,350 to 1,500 ° C. Pre-sinter, or
Alternatively, hot pressing was performed at 200 kg / cm 2 1350 to 1500 ° C. for 1 hour to obtain a non-breathable sintered body having a theoretical density of 95% or more. This sintered body was subjected to a pressure of 2000 kg / cm 2 in an Ar gas atmosphere at 1450 to
Sintering was performed in a hot isostatic press at 1600 ° C for 1 hour. The average particles of tetragonal zirconia contained in the obtained sintered body were all 2 μm or less.

得られた焼結体は、実施例1と同様にして、嵩密度、結
晶相、曲げ強度、及び破壊靭性並びに熱劣化試験後の焼
結体表面の結晶及び曲げ強度を測定しその結果を第3表
に示した。なおNo.48〜52、No.60及びNo.65〜76は欠番
とする。
The obtained sintered body was measured for bulk density, crystal phase, bending strength, fracture toughness, and crystal and bending strength on the surface of the sintered body after the heat deterioration test in the same manner as in Example 1, and It is shown in Table 3. No. 48 to 52, No. 60 and No. 65 to 76 are missing numbers.

第3表において、試料No.53〜54は安定化剤として4mol
%のYO1.5と4mol%のCeO2を添加し、これに分散成分と
してSi3N4、Al2O3、及びAlNの3種類を合計で50〜70重
量%添加したものであり、試料No.55〜56は同じ安定化
剤量で、分散成分としてSi3N4を25〜40重量%添加した
ものである。試料No.57〜59も同じ安定化剤量で、分散
成分としてはAl2O3とSic及びTiCNを組み合わせて25〜40
重量%添加したものである。いずれの試料も相対密度、
破壊靭性及び曲げ強度共に高い数字を示し、さらに熱劣
化試験後においても単斜晶への転移が測定されず、曲げ
強度も殆ど劣化せず本発明の効果が確認された。
In Table 3, sample Nos. 53 to 54 are 4 mol as stabilizers.
% YO 1.5 and 4 mol% CeO 2 were added, and three kinds of dispersion components, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 and AlN, were added in a total amount of 50 to 70% by weight. 0.55 to 56 have the same amount of stabilizer and 25 to 40% by weight of Si 3 N 4 is added as a dispersion component. Sample Nos. 57 to 59 also have the same amount of stabilizer, and as a dispersion component, Al 2 O 3 is combined with Sic and TiCN at 25 to 40.
It is the one added by weight%. Relative density of all samples,
The fracture toughness and the bending strength are both high, and the transition to the monoclinic crystal was not measured even after the thermal deterioration test, and the bending strength was hardly deteriorated, and the effect of the present invention was confirmed.

試料No.61〜63では、安定化剤としてYO1.5を6mol%と一
定にしCeO2を無添加の場合と添加した場合について、分
散成分の添加量を変えたものである。CeO2を全く添加し
ない試料No.61〜63では、分散成分を添加しても、熱劣
化が甚だしく、熱劣化試験後に単斜晶へ転移してしまっ
て、曲げ強度が著しく劣化してしまう。試料No.64は、
安定化剤として6モル%のYO1.5とCeO21.5mol%添加
し、分散成分を全く添加しない比較例であるが、同様に
熱劣化が生じる。
In Sample Nos. 61 to 63, YO 1.5 as a stabilizer was kept constant at 6 mol% and the addition amount of the dispersion component was changed with and without addition of CeO 2 . In Samples Nos. 61 to 63 in which CeO 2 was not added at all, even if the dispersive component was added, the heat deterioration was remarkable, and after the heat deterioration test, the crystals were transformed into monoclinic crystals, and the bending strength was significantly deteriorated. Sample No. 64 is
This is a comparative example in which 6 mol% of YO 1.5 and 1.5 mol% of CeO 2 are added as stabilizers and no dispersing component is added, but thermal deterioration similarly occurs.

また、本実施例の試料のうち、No.55〜57、59、61につ
いて、ロックウエルスーパーフィッシャル硬度計を用い
て荷重45kgで硬度を測定しその結果を第4表に示した。
Further, among the samples of this example, No. 55 to 57, 59, and 61 were measured for hardness with a load of 45 kg using a Rockwell Superficial hardness meter, and the results are shown in Table 4.

第4表より、安定化剤として4mol%のYO1.5とCeO2を添
加し、さらに分散成分を添加した本発明例である試料N
o.55〜57及び59は、安定化剤として6mol%のYO1.5のみ
を添加し、分散成分を全く添加しない比較例である試料
No.61の部分安定化ジルコニア焼結体よりも、著しく硬
度が改善されていることが判る。
From Table 4, sample N which is an example of the present invention in which 4 mol% of YO 1.5 and CeO 2 were added as stabilizers, and a dispersion component was further added
o.55 to 57 and 59 are comparative examples in which only 6 mol% of YO 1.5 is added as a stabilizer and no dispersion component is added.
It can be seen that the hardness is remarkably improved as compared with the partially stabilized zirconia sintered body of No. 61.

[発明の効果] 本発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミック焼結体
は、Y2O3−CeO2−ZrO2系あるいはCeO2−ZrO2系の部分安
定化ジルコニアと、第2成分(Al、Si等の元素のホウ化
物、炭化物及び窒化物、Cr2O3)、あるいは第2成分に
さらに第3成分(Al2O3、スピネル、ムライト)からな
る分散成分とから成り、平均粒子径を規制することによ
り、強度を改善すると共に、耐熱安定性に優れ、強度、
靭性の熱経時劣化が極めて少ない高靭性セラミック焼結
体である。本発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミッ
ク焼結体を摺動部材として使用する場合は、3モルY2O3
部分安定化ジルコニア焼結体として比較して、約10倍以
上の耐磨耗性が得られる。本発明はこのように部分安定
化ジルコニア焼結体の硬度を改善し、耐磨耗性も一段と
優れるものである。さたに分散成分の添加により、高温
において従来のジルコニア焼結体を比較し、硬度、強
度、クリープ等の機械的特性にも優れる。
Toughened ceramic sintered body having excellent heat stability [Effect of the Invention] The present invention, Y 2 O 3 -CeO 2 -ZrO and 2 system or partially stabilized zirconia CeO 2 -ZrO 2 system, the second component (Borides, carbides and nitrides of elements such as Al and Si, Cr 2 O 3 ) or a dispersion component consisting of a second component and a third component (Al 2 O 3 , spinel, mullite), and the average By controlling the particle size, the strength is improved and at the same time excellent heat stability, strength,
It is a high toughness ceramic sintered body with extremely little deterioration of toughness due to heat. When the high toughness ceramic sintered body of the present invention excellent in heat stability is used as a sliding member, 3 mol Y 2 O 3
Compared with a partially stabilized zirconia sintered body, about 10 times or more abrasion resistance is obtained. As described above, the present invention improves the hardness of the partially stabilized zirconia sintered body and further improves the wear resistance. Moreover, by adding the dispersant component, the mechanical properties such as hardness, strength, and creep are excellent as compared with the conventional zirconia sintered body at high temperature.

本発明の耐熱安定性に優れた高靭性セラミック焼結体
は、このように常温及び高温において優れた特性を有す
るので、熱可塑性樹脂やセラミックスの射出成型機用の
耐摩耗性セラミックススクリュウ、真ちゅうロッドや銅
管シェル等の熱間押出しダイス、ガスタービン部品、デ
ィーゼルエンジン部品等の内燃機関、ポンプ部品、工業
用カッター、切削工具、粉砕機械用部品、摺動部材、人
工骨、人工歯、鋳造セラミックによる人工歯のブリッジ
芯材料、人工歯根、ゲージ等の機械工具への応用及び実
用化と性能向上に大きく寄与するものである。
The high toughness ceramic sintered body having excellent heat stability of the present invention has excellent properties at room temperature and high temperature as described above, and therefore, the wear resistant ceramic screw and brass rod for injection molding machines of thermoplastic resins and ceramics. Extrusion dies such as copper and copper pipe shells, gas turbine parts, internal combustion engines such as diesel engine parts, pump parts, industrial cutters, cutting tools, parts for grinding machines, sliding members, artificial bones, artificial teeth, cast ceramics It greatly contributes to application and practical application to mechanical tools such as bridge core materials for artificial teeth, artificial tooth roots, and gauges, and performance improvement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はZrO2、YO1.5、CeO2の組成範囲を示す三角座標Figure 1 shows triangular coordinates showing the composition range of ZrO 2 , YO 1.5 , and CeO 2.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Y2O3とCeO2またはCeO2を安定化剤として含
む主として正方晶より成る部分安定化ジルコニアに対し 第2成分として、Al、Si、B及び周期律表4a、5a、6a族
元素のホウ化物、炭化物及び窒化物、及びCr2O3から選
ばれた1種または2種以上を1〜70内部重量%含む焼結
体であって、 焼結体中に含まれる正方晶ジルコニアの結晶粒子の平均
粒子径が2μm以下であり、かつ耐熱安定性に優れたこ
とを特徴とする高靭性セラミック焼結体。
1. For partially stabilized zirconia mainly composed of tetragonal crystals containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer, Al, Si, B and 4a, 5a of the periodic table as second components, A sintered body containing 1 to 70% by weight of one or two or more selected from boride, carbide and nitride of a 6a group element, and Cr 2 O 3 , which is a tetragonal contained in the sintered body. A high toughness ceramic sintered body, characterized in that the average particle size of the crystal grains of cubic zirconia is 2 μm or less and that it has excellent heat resistance stability.
【請求項2】熱間プレス法あるいは熱間静水圧プレス法
で焼結されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項に
記載の高靭性セラミック焼結体。
2. The high toughness ceramic sintered body according to claim 1, which is sintered by a hot pressing method or a hot isostatic pressing method.
【請求項3】部分安定化ジルコニアは、これに含まれる
Y2O3とCeO2が添付図面に示すように正三角形に交わる三
軸にそれぞれZrO2、YO1.5、CeO2のmol%を表示した三角
座標において、 点A(ZrO287.5mol%、YO1.512mol%、CeO20.5mol%) 点B(ZrO295.5mol%、YO1.54mol%、CeO20.5mol%) 点C(ZrO295.5mol%、YO1.52mol%、CeO22.5mol%) 点D(ZrO292.0mol%、YO1.50mol%、CeO28.0mol%) 点E(ZrO284.5mol%、YO1.50mol%、CeO215.5mol%) で示された特定5組成点を結ぶ点で囲まれた範囲内の組
成にある特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の高靭
性セラミック焼結体。
3. Partially stabilized zirconia is included in this.
As shown in the attached drawing, Y 2 O 3 and CeO 2 intersect with an equilateral triangle, and the three axes intersecting ZrO 2 , YO 1.5 , and CeO 2 , respectively, in the triangular coordinates, point A (ZrO 2 87.5 mol%, YO 1.5 12mol%, CeO 2 0.5mol%) Point B (ZrO 2 95.5mol%, YO 1.5 4mol%, CeO 2 0.5mol%) Point C (ZrO 2 95.5mol%, YO 1.5 2mol%, CeO 2 2.5mol%) connecting the point D (ZrO 2 92.0mol%, YO 1.5 0mol%, CeO 2 8.0mol%) point E (ZrO 2 84.5mol%, YO 1.5 0mol%, CeO 2 15.5mol%) specific 5 composition point indicated by The high toughness ceramic sintered body according to claim 1 or 2, which has a composition within a range surrounded by dots.
【請求項4】前記第2成分が、AlN、TiC、TiN、TiCN、T
iB2、Si3N4、SiC、B4C、WC、TaC、NbC、Cr3C2、Cr2B、Z
rN、ZrB2、ZrC、HfN、HfB2、HfC、BN及びCr2O3から選択
された1種以上である特許請求の範囲第1項乃至第3項
のいずれかに記載の高靭性セラミック焼結体。
4. The second component is AlN, TiC, TiN, TiCN, T
iB 2 , Si 3 N 4 , SiC, B 4 C, WC, TaC, NbC, Cr 3 C 2 , Cr 2 B, Z
The high toughness ceramic calcination according to any one of claims 1 to 3, which is at least one selected from rN, ZrB 2 , ZrC, HfN, HfB 2 , HfC, BN and Cr 2 O 3. Union.
【請求項5】300℃大気中に3000時間保持試験後の焼結
体に含まれるジルコニアの単斜晶量が30%以下である特
許請求の範囲第1項乃至第4項のいずれかに記載の高靭
性セラミック焼結体。
5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the amount of zirconia monoclinic crystals contained in the sintered body after a holding test in air at 300 ° C. for 3000 hours is 30% or less. High toughness ceramic sintered body.
【請求項6】Y2O3とCeO2またはCeO2を安定化剤として含
む主として正方晶より成る部分安定化ジルコニアに対
し、 第2成分としてAl、Si、B及び周期律表4a、5a、6a族元
素のホウ化物、炭化物及び窒化物、及びCr2O3から選ば
れた1種または2種以上と 第3成分として、Al2O3、MgO・Al2O3(スピネル)、3A
l2O3・2SiO2、(ムライト)から選ばれた1種または2
種以上とを第2、第3成分合計で1〜70内部重量%含む
焼結体であって、 焼結体中に含まれる正方晶ジルコニアの結晶粒子の平均
粒子径が2μm以下であり、かつ耐熱安定性に優れたこ
とを特徴とする高靭性セラミック焼結体。
6. A partially stabilized zirconia mainly composed of tetragonal crystals containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer, and Al, Si, B as the second component and Periodic Tables 4a, 5a, One or more selected from borides, carbides and nitrides of 6a group elements, and Cr 2 O 3 , and as the third component, Al 2 O 3 , MgO.Al 2 O 3 (spinel), 3A
l 2 O 3・ 2SiO 2 , 1 or 2 selected from (mullite)
A sintered body containing 1 to 70% by weight of the second and third components in total, and the average particle size of tetragonal zirconia crystal particles contained in the sintered body is 2 μm or less, and High toughness ceramic sintered body characterized by excellent heat resistance stability.
【請求項7】Y2O3とCeO2またはCeO2を安定化剤として含
むZrO2粉末、またはY2O3粉末及びCeO2粉末及びZrO2粉末
の合量、またはCeO2粉末及びZrO2粉末の合量に対し、 第2成分として、Al、Si、B及び周期律表4a、5a、6a族
元素のホウ化物、炭化物及び窒化物、及びCr2O3から選
ばれた1種または2種以上の粉末をZrO2粉末または前記
の合量に対して1〜70内部重量%の範囲で配合して得ら
れた混合粉末の成形体を、 含まれる正方晶ジルコニアの結晶粒子の平均粒子径が2
μm以下であり、かつ耐熱安定性に優れた焼結体となる
よう焼結することを特徴とする高靭性セラミック焼結体
の製造方法。
7. ZrO 2 powder containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer, or the total amount of Y 2 O 3 powder, CeO 2 powder and ZrO 2 powder, or CeO 2 powder and ZrO 2 Based on the total amount of the powder, as the second component, one or two selected from Al, Si, B and boride, carbide and nitride of the elements of 4a, 5a and 6a of the Periodic Table, and Cr 2 O 3. The average particle size of the tetragonal zirconia crystal particles contained is a ZrO 2 powder or a mixed powder compact obtained by blending ZrO 2 powder in the range of 1 to 70% by weight with respect to the total amount. Is 2
A method for producing a high-toughness ceramic sintered body, which comprises sintering to be a sintered body having a particle size of μm or less and excellent heat resistance stability.
【請求項8】Y2O3、CeO2、ZrO2の組成割合は、添付図面
に示すように正三角形に交わる三軸にそれぞれZrO2、YO
1.5、CeO2のmol%を表示した三角座標において、 点A(ZrO287.5mol%、YO1.512mol%、CeO20.5mol%) 点B(ZrO295.5mol%、YO1.54mol%、CeO20.5mol%) 点C(ZrO295.5mol%、YO1.52mol%、CeO22.5mol%) 点D(ZrO292.0mol%、YO1.50mol%、CeO28.0mol%) 点E(ZrO284.5mol%、YO1.50mol%、CeO215.5mol%) で示された特定5組成点を結ぶ点で囲まれた範囲内の組
成にある特許請求の範囲第7項に記載の高靭性セラミッ
ク焼結体の製造方法。
8. The composition ratios of Y 2 O 3 , CeO 2 and ZrO 2 are respectively ZrO 2 and YO on three axes intersecting an equilateral triangle as shown in the attached drawings.
1.5, in the triangular coordinates displaying the mol% of CeO 2, the point A (ZrO 2 87.5mol%, YO 1.5 12mol%, CeO 2 0.5mol%) point B (ZrO 2 95.5mol%, YO 1.5 4mol%, CeO 2 0.5 mol%) point C (ZrO 2 95.5mol%, YO 1.5 2mol%, CeO 2 2.5mol%) point D (ZrO 2 92.0mol%, YO 1.5 0mol%, CeO 2 8.0mol%) point E (ZrO 2 84.5 mol%, YO 1.5 0mol%, high toughness ceramic sintered to in paragraph 7 of claims in the composition in the range surrounded by the points connecting the specific 5 composition point indicated by CeO 2 15.5 mol%) Body manufacturing method.
【請求項9】前記第2成分が、AlN、TiC、TiN、TiCN、T
iB2、Si3N4、SiC、B4C、WC、TaC、NbC、Cr3C2、Cr2B、Z
rN、ZrB2、ZrC、HfN、HfB2、HfC、BN及びCr2O3から選択
された1種以上である特許請求の範囲第7項または第8
項に記載の高靭性セラミック焼結体の製造方法。
9. The second component is AlN, TiC, TiN, TiCN, T
iB 2 , Si 3 N 4 , SiC, B 4 C, WC, TaC, NbC, Cr 3 C 2 , Cr 2 B, Z
Claims 7 or 8 which is one or more selected from rN, ZrB 2 , ZrC, HfN, HfB 2 , HfC, BN and Cr 2 O 3 .
A method for producing a high toughness ceramic sintered body according to item.
【請求項10】Y2O3とCeO2またはCeO2を安定化剤として
含むZrO2粉末は、ZrO2のゾルおよび/または水溶性の塩
をY2O3とCeO2を生ずる水溶性の塩と共に溶液の状態で均
一に混合した後、沈澱の形で分離して得られたZrO2粉末
である特許請求の範囲第7項ないし第9項のいずれかに
記載の高靭性セラミック焼結体の製造方法。
10. A ZrO 2 powder containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer is a water-soluble ZrO 2 sol and / or a water-soluble salt which forms Y 2 O 3 and CeO 2. The high-toughness ceramic sintered body according to any one of claims 7 to 9, which is a ZrO 2 powder obtained by uniformly mixing with a salt in a solution state and then separating in the form of a precipitate. Manufacturing method.
【請求項11】Y2O3とCeO2またはCeO2を安定化剤として
含むZrO2粉末、またはY2O3粉末及びCeO2粉末及びZrO2
末の合量、またはCeO2粉末及びZrO2粉末の合量に対し、 第2成分としてAl、Si、B及び周期律表4a、5a、6a族元
素のホウ化物、炭化物及び窒化物、及びCr2O3から選ば
れた1種または2種以上の粉末と、 第3成分としてAl2O3、MgO・Al2O3(スピネル)、3Al2
O3・2SiO2(ムライト)から選ばれた1種または2種以
上とを ZrO2粉末または前記の合量に対して第2、第3成分の合
計で1〜70内部重量%の範囲で配合して得られた混合粉
末の成形体を焼成し、 含まれる正方晶ジルコニアの結晶粒子の平均粒子径が2
μm以下であり、かつ耐熱安定性に優れた焼結体となる
よう焼結することを特徴とする高靭性セラミック焼結体
の製造方法。
11. ZrO 2 powder containing Y 2 O 3 and CeO 2 or CeO 2 as a stabilizer, or the total amount of Y 2 O 3 powder, CeO 2 powder and ZrO 2 powder, or CeO 2 powder and ZrO 2 powder. Based on the total amount of the powder, one or two selected from Al, Si, B as the second component and boride, carbide and nitride of the elements of the periodic table 4a, 5a and 6a, and Cr 2 O 3. and more powders, Al 2 O 3 as a third component, MgO · Al 2 O 3 (spinel), 3Al 2
One or more selected from O 3 .2SiO 2 (mullite) and ZrO 2 powder or the total amount of the second and third components in the range of 1 to 70 internal weight% with respect to the total amount. The mixed powder compact thus obtained is fired, and the average particle size of the tetragonal zirconia crystal particles contained is 2
A method for producing a high-toughness ceramic sintered body, which comprises sintering to be a sintered body having a particle size of μm or less and excellent heat resistance stability.
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