JPH06263533A - 耐熱安定性に優れた高靱性セラミック焼結体及びその製造方法 - Google Patents

耐熱安定性に優れた高靱性セラミック焼結体及びその製造方法

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JPH06263533A
JPH06263533A JP5227826A JP22782693A JPH06263533A JP H06263533 A JPH06263533 A JP H06263533A JP 5227826 A JP5227826 A JP 5227826A JP 22782693 A JP22782693 A JP 22782693A JP H06263533 A JPH06263533 A JP H06263533A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】Y23とCeO2を安定化剤として含むZrO2
粉末材料に対し、第2成分としてアルミナ、スピネル、
ムライト等の粉末を粉砕、混合して得られた混合粉末を
1100℃以上1600℃以下の温度でホットプレス処
理またはHIP処理する。 【効果】強度と熱安定性の両者を同時に飛躍的に改善す
ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、きわめて高強度でしか
も同時に熱安定性に著しく優れる高靱性セラミック焼結
体及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】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、MgO、Y23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
る部分安定化ジルコニアあるいは立方晶と単斜晶より成
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。
【0003】この様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Y23が用いられ特に高靱性、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。
【0004】また、高靱性ジルコニア焼結体として、Y
23、MgO、CaOを安定化剤として含むジルコニア
にAl23を0.5〜60重量%まで含む焼結体(特開
昭58−32066)及びY23、MgO、CaOを安
定化剤として含むジルコニアにAl23あるいは各種の
ホウ化物、炭化物、窒化物及びAl23を含む焼結体
(特開昭58−120571)が開示されている。
【0005】しかし、これらの開示されたジルコニア焼
結体のうちMgO、CaOを安定化剤とするものは、Y
23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、脱安定化すなわ
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、Y23によって安定化され
た高靱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、
靱性の劣化は著しく、強靱化のメカニズムが作用しなく
なることはもとより、相転移にともなう体積膨張によ
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。
【0006】またY23を安定化剤とするZrO2にア
ルミナを含有させ、HIP処理を行うことにより、更に
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)。
【0007】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、Y23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
おいて相変わらず依然として経時劣化を生じるという問
題がある。
【0008】一方、Y23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60−1416
73)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が開示され
ている(特開昭60−108367)。
【0009】これら公報に開示されたCeO2を含有す
るジルコニアセラミックスは、Y23を安定化剤とする
ジルコニアセラミックスと比較して熱安定性は改善され
ているものの、強度が低く、十分でないという欠点があ
り、構造材としての用途は限定されたものとなってい
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】このように、Y23
安定化剤として含むY23−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Y23−ZrO
2−Al23系ジルコニアセラミックスは、200℃〜
400℃の低温において経時劣化を生じるという欠点を
有している。一方、Y23とCeO2を安定化剤として
含むY23−CeO2−ZrO2系ジルコニアセラミック
スあるいはCeO2を安定化剤として含むCeO2−Zr
2系、CeO2−ZrO2−Al23系ジルコニアセラ
ミックスは強度が低いという欠点を有している。
【0011】本発明の目的は、強度と熱安定性の両者を
同時に飛躍的に改善した高靱性ジルコニアセラミックス
及びその製造方法を提供しようとするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】第1の発明(請求項1)
の耐熱安定性に優れた高靱性セラミック焼結体は、Y2
3とCeO2を安定化剤として含む(但し、Y23は1
モル%以上)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、Al23、MgO・Al2
3(スピネル)、3Al23・2SiO2(ムライト)
から選ばれた1種又は2種以上を1〜70内部重量%含
み、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
3点曲げ強度が130kg/mm2以上で、焼結体のか
さ密度が理論密度の99%以上であり、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%以下でありかつ3点曲げ強度が1
30kg/mm2以上であることを要旨とするものであ
る。
【0013】本発明の耐熱安定性に優れた高靱性セラミ
ック焼結体に含まれる部分安定化ジルコニアのZr
2、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、Y
1.5、CeO2のmol%を表示した三角座標におい
て、 点A(ZrO2 87.5mol%、YO1.5 12mo
l%、CeO2 0.5mol%) 点B(ZrO2 95.5mol%、YO1.5 4mol
%、CeO2 0.5mol%) 点C(ZrO2 95.5mol%、YO1.5 2mol
%、CeO2 2.5mol%) 点D(ZrO2 85.0mol%、YO1.5 2mol
%、CeO2 13.0mol%) で示された特定4組成点を結ぶ点で囲まれた範囲内の組
成とすることができる(請求項2)。
【0014】第2の発明(請求項3)の耐熱安定性に優
れた高靱性セラミック焼結体の製造方法は、Y23とC
eO2を安定化剤として含むZrO2粉末材料(但し、Y
23は1モル%以上)に対し、第2成分として、Al2
3、MgO・Al23(スピネル)、3Al23・2
SiO2(ムライト)から選ばれた1種又は2種以上の
粉末を合計で1〜70内部重量%の範囲で粉砕混合して
得られた混合粉末を温度1100℃以上1600℃以下
で熱間プレス法あるいは熱間静水圧プレス法で、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
下となるように焼結することを要旨とするものである。
【0015】さらに、本発明の製造方法に用いられるY
23とCeO2を安定化剤として含むZrO2粉末は、Z
rO2のゾルおよび/または水溶性の塩をY23とCe
2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(請求項4)。
【0016】
【作用】本発明の耐熱安定性に優れた高靱性セラミック
焼結体は、後述する実施例の焼結体の強度、破壊靱性
値、熱劣化試験結果を参照すれば明らかなように、極め
て高強度でしかも同時に熱安定性に著しく優れる。
【0017】従って、Y23−ZrO2系の部分安定化
ジルコニア焼結体が不安定とされる200〜400℃の
温度領域における長時間の熱劣化試験後もジルコニア結
晶相の変化及び強度劣化も殆ど無い。すなわち、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%以下でありかつ3点曲げ
強度が130kg/mm2以上である。
【0018】これは第1にY23とCeO2の両者の同
時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Y23のみによって安定化された正方晶ジル
コニアよりも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るので、正方晶ジルコニア自体の安
定性が高まったためであると考えられる。
【0019】第2に、主成分であるジルコニアよりも高
弾性なAl23等の第2成分の添加によって、ZrO2
粒界あるいは周囲に高弾性物質が存在する微細組織とな
った。
【0020】すなわち、ZrO2粒子が、周囲の高弾性
物質に押さえ込まれた形となり、体積膨張を伴う正方晶
→単斜晶相転移にもとづく熱劣化反応が生じにくくなっ
たと考えられる。
【0021】第3に、熱間プレス法あるいは熱間静水圧
プレス法等の加圧焼結により、焼結体は一段と緻密化さ
れた為、体積膨張を伴う正方晶→単斜晶相転移(熱劣化
反応)が生じにくくなったものと考えられる。
【0022】焼結体の強度についてみると、本発明の焼
結体では3点曲げ強度が130kg/mm2以上であ
り、Y23を安定化剤として含むY23−ZrO2系、
及びこれにアルミナ等の第2成分を含有するY23−Z
rO2−Al23系、Y23とCeO2を安定化剤として
含むY23−CeO2−ZrO2系及びこれにアルミナ等
の第2成分を含有するY23−CeO2−ZrO2−Al
23系、CeO2を安定化剤として含むCeO2−ZrO
2系、及びこれにアルミナ等の分散成分を含有するCe
2−ZrO2−Al23系の常圧焼結体と比較して一段
と高強度であることはもとより、Y23−ZrO2系、
23−CeO2−ZrO2系、CeO2−ZrO2系のA
23等の第2成分を含有しない加圧焼結体と比較して
もより一層高強度である。
【0023】これは第1に熱間プレス法あるいは熱間静
水圧プレス法等の加圧焼結により、焼結体中に含まれる
気孔等の欠陥が除去されるとともに一層緻密化した。緻
密体では体積膨張をともなうような、ZrO2粒の正方
晶→単斜晶相転移が生じにくいと考えられる。
【0024】すなわち、焼結体が破壊される際に応力集
中部分で生じる正方晶から単斜晶への相転移現象におい
て、この相転移を生じさせるのに必要な破壊エネルギー
が増大する為と考えられる。
【0025】第2に、主成分であるZrO2よりも高弾
性なAl23等の第2成分の添加と加圧焼結の相乗効果
により、正方晶ZrO2粒界及びその周囲に高弾性物質
が存在する緻密な微細組織となった。これにより破壊時
に正方晶ジルコニア粒子が単斜晶ジルコニアへ相転移す
るのをさまたげられるとともに焼結体全体の弾性率も上
昇し、破壊エネルギーが増大した為と考えられる。
【0026】また別の作用として、第2成分の存在によ
り硬度も改善され、耐摩耗性も優れたものとなった。
【0027】第3の作用として、第2成分の存在により
焼結性が改善され、より高密度・微細結晶粒径の焼結体
が得られ、耐熱安定性のより一層の増大に寄与する。
【0028】本発明ではジルコニアの安定化剤としてY
23及びCeO2を必須とする。Y23、CeO2、Zr
2の3成分の配合量は、図1に示すような三角座標に
おいて、点A、B、C、D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特に
高く耐熱性に優れるが、この範囲を外れると大幅に耐熱
性が低下する傾向を示し、また機械的特性も劣ったもの
となる傾向がある。すなわち、点A(YO1.5 12m
ol%)よりもYO1.5を多く含むと靱性が低下し、点
B(YO1.5 4mol%)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(YO1.5 2mo
l%、CeO2 2.5mol%)よりもYO1.5及びC
eO2が少ない場合には、耐熱安定性が乏しくなる。ま
た、点D(CeO2 13.0mol%)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。
【0029】図1に関し、表4に示す参考例を上記3成
分の組成に関し参照されたい。
【0030】本発明をより効果あるものとするために
は、上記3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(ZrO2 87.5mol%、YO1.5 12mo
l%、CeO2 0.5mol%) 点H(ZrO2 94.5mol%、YO1.5 4mol
%、CeO2 1.5mol%) 点G(ZrO2 94.5mol%、YO1.5 2.5m
ol%、CeO2 3.mol%) 点F(ZrO2 89mol%、YO1.5 2mol%、
CeO2 9mol%) 点D(ZrO2 85mol%、YO1.5 2mol%、
CeO2 13mol%) を結ぶ実線で囲まれた範囲内に選択するとよい。なお、
23の一部をNd23、Yb23、La23、Er2
3等の希土類金属酸化物で置換することも可能であ
る。
【0031】本発明では、Al23、MgO・Al23
(スピネル)、3Al23・2SiO2(ムライト)か
ら選ばれた1種又は2種以上を第2成分として1〜70
内部重量%含む必要がある。第2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%以上では靱性あるZrO2の含有量を低
めるからである。
【0032】本発明をより効果あるものとするためには
第2成分の添加量を5〜50内部重量%の範囲に選択す
るとよい。
【0033】なお、この範囲内では第2成分は主として
分散成分として作用すると考えられるが、これより第2
成分が多くなると第2成分が連続相を成す場合がある。
【0034】本発明の製造方法は、通常次のように実施
される。Y23及びCeO2を安定化剤として含むZr
2粉末材料(但し、Y23は1モル%以上)に対し、
第2成分としてAl23、MgO・Al23(スピネ
ル)、3Al23・2SiO2(ムライト)から選ばれ
た1種又は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末混合した混合粉末または予備
成形体を温度1100℃〜1600℃の範囲でホットプ
レス(HP)、またはホットアイソスタティックプレス
(HIP)にて加圧焼結する。
【0035】ZrO2粉末としては、比表面積10m2
g以上、好ましくは15m2/g以上、より好ましくは
20m2/g以上のものを用いる。
【0036】加圧焼結の際上記温度としたのは、温度が
1100℃未満では十分に高密度な焼結体が得られず、
1600℃を超えると焼結体中のジルコニア結晶粒子が
粒成長し、2μm以上となり好ましくないためである。
【0037】HP法の場合は50〜300kg/cm2
の圧力下で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1600℃以
下の温度条件にて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。
【0038】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た場合、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
及び靱性についても所期の値が得られる。
【0039】なお、本発明の高靱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本実施
例にあるように99%以上、より好ましくは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、耐熱安定性に優
れ、強度及び靱性に優れると共にその熱劣化を生じな
い。
【0040】なお、焼結後の状態では、単斜晶はジルコ
ニア中に実質上含まれない。熱劣化試験後の単斜晶は3
0%以下であるが、好ましくは5%以下、より好ましく
は3%以下、さらに実質的に0%のものが得られる。
【0041】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・高靱性を示す。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
じ表面相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
方晶より成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、靱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。
【0042】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靱性が低下す
る。また、正方晶ジルコニアの平均粒子径が小さいほ
ど、安定性が向上し耐熱性に優れたものとなる。
【0043】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1.541Å、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3000Å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2
θの1/2の値である。
【0044】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。
【0045】
【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。
【0046】(実施例1)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Y23、CeO2を表1の割合で添加し、こ
れに第2成分として、平均粒径0.3μm、純度99.
9%のAl23、平均粒径0.3μm、純度99.9%
のMgO・Al23(スピネル)、比表面積28m2
g、Al23/SiO2比が71.8/28.2の合成
ムライト(3Al23・2SiO2)を表1の割合で加
え、湿式混合後乾燥させた粉末を200kg/cm2
1400〜1500℃の条件で、ホットプレス法により
約1時間焼成した。
【0047】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、3×4×40mmに切断研磨加工し、嵩密
度、結晶相、抗折強度、及び破壊靱性並びに熱劣化試験
後の焼結体表面の結晶相及び抗折強度を測定しその結果
を表1に示す。
【0048】なお、各物性の測定方法として、抗折強度
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。
【0049】破壊靱性は、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、K
IC値は新原らの式を用いた。
【0050】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(11
1)面の積分強度IT、ICより単斜晶量は、
【0051】
【数1】
【0052】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ZrO
2と立方晶ZrO2の積分強度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Zr
2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、
【0053】
【数2】
【0054】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。
【0055】熱劣化試験は、300℃の電気炉内に30
00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料は、試料表面のX線回折により
同様に上記式(1)より求めた。
【0056】
【表1】
【0057】本実施例では、安定化剤としてYO1.5
3mol%、CeO2を6mol%添加し、これに種々
の第2成分を30重量%加えたものである。
【0058】試料No.1〜3はAl23、MgO・A
23(スピネル)、3Al23・2SiO2(ムライ
ト)を単独で30重量%添加したものである。
【0059】表1から明らかなように、いずれも相対密
度、破壊靱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。
【0060】(実施例2)得られる粉末が表2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。
【0061】この粉末に、平均粒径0.3μm、純度9
9.9%のAl23を、第2成分として表2の割合で加
え、湿式混合後乾燥させた粉末を、1.5ton/cm
2の圧力で等方的に成形し、1350〜1500℃の温
度で2時間予備焼結し、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20
00kg/cm2の圧力下1450〜1600℃で1時
間、熱間静水圧プレス内にて焼成を行った。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2μ
m以下であった。
【0062】得られた焼結体は実施例1と同様にして嵩
密度、結晶相、抗折強度、及び破壊靱性並びに熱劣化試
験後の焼結体表面の結晶及び抗折強度を測定しその結果
を表2に示した。
【0063】
【表2】
【0064】表2において、試料No.4〜8は安定化
剤としてYO1.5 4mol%とCeO2 4mol%を
添加し、これに第2成分としてAl23を5〜70重量
%加えたものである。
【0065】いずれの試料も相対密度、破壊靱性及び抗
折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、抗折強度も殆ど劣化
せず本発明の効果が確認された。なお、試料No.9は
安定化剤としてそれぞれ4mol%のYO1.5及びCe
2を添加し、第2成分として本発明の組成範囲以上の
Al23を添加した比較例であるが、相対密度は高いも
のの破壊靱性、曲げ強度に充分な値が得られない。
【0066】試料No.10〜16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、第2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.10
〜12では、第2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.13は、安定化
剤としてCeO2 1.5mol%添加し、第2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。
【0067】これに対して、試料No.14〜16は安
定化剤としてY23及びCeO2を含み、第2成分とし
てAl23を10〜40重量%添加した実施例である
が、いずれも破壊靱性、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。
【0068】また、本実施例の試料のうち、No.5〜
6、10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
表3に示した。
【0069】
【表3】
【0070】表3より、安定化剤として4mol%のY
1.5とCeO2を添加し、さらに第2成分としてAl2
3等を添加した実施例である試料No.5〜6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.10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。
【0071】また表4に熱間プレス処理あるいは熱間静
水圧プレス処理を施さずに、常圧焼結した参考例試料N
o.17〜30の特性値を示す。
【0072】
【表4】
【0073】表4の結果より、本実施例試料の曲げ強度
および熱劣化試験後の曲げ強度の値は、常圧焼結した参
考例試料の値よりも極めて優れていることが確認され
た。
【0074】(実施例3)実施例1及び実施例2の方法
により調整した焼結体のうち試料No.1、6、15
を、比較例として試料No.10、11、13を用い、
300℃の電気炉中に所定時間保持し、熱劣化試験を行
い、焼結体表面の単斜晶量を測定し、保持時間と単斜晶
量の関係を図2に示した。
【0075】図2において、本実施例である試料No.
1、6、15は1500時間保持したにも拘らず、単斜
晶への転移が殆ど起こっていない。これに対してY23
−ZrO2系で第2成分を含まない比較例No.10、
23−ZrO2−Al23系でCeO2を含まない比較
例No.11、及びY23−CeO2−ZrO2系で第2
成分を全く添加しない比較例No.13は、300℃空
気中で保持する間に単斜晶への転移が起こり、熱劣化す
ることが判る。これより本発明の組成の高靱性セラミッ
ク焼結体は、比較例の各焼結体に比べて極めて優れた熱
安定性を示すことが確認された。
【0076】
【発明の効果】第1の発明(請求項1)の耐熱安定性に
優れた高靱性セラミック焼結体は、Y23とCeO2
安定化剤として含む(但し、Y23は1モル%以上)主
として正方晶より成る部分安定化ジルコニアと、Al2
3、MgO・Al23(スピネル)、3Al23・2
SiO2(ムライト)より選ばれた1種又は2種以上の
第2成分(分散成分)とから成り、熱間プレス法あるい
は熱間静水圧プレス法等により製造された加圧焼結体で
あるので、極めて高強度でしかも同時に熱安定性に著し
く優れる。すなわち、強度、靱性の熱経時劣化が極めて
少ない高靱性セラミック焼結体であり、このようなジル
コニア系焼結体は従来かつてないものである。なお、加
圧焼結の効果は、そうでない常圧焼結の場合に比して通
常強度が約1.5倍増という予期せざる顕著な効果を奏
する。
【0077】第1の発明(請求項1)の耐熱安定性に優
れた高靱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Y23部分安定化ジルコニア焼結体と比
較して、約10倍以上の耐摩耗性が得られる。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、耐摩耗性も一段と優れるものである。さらに主とし
て分散成分をなす第2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と比較し、硬度、強度、クリー
プ等の機械的特性にも優れる。
【0078】第1の発明(請求項1)の耐熱安定性に優
れた高靱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、固体電解質等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。
【0079】上記効果は、部分安定化ジルコニアに含ま
れるY23とCeO2の組成を、添付図面のABCDの
4組成点を結ぶ点で囲まれた範囲内の組成にすることで
より確実に達成される(請求項2)。
【0080】また、第2の発明(請求項3)の耐熱安定
性に優れた高靱性セラミック焼結体の製造方法では、上
記の耐熱安定性に優れた高靱性セラミック焼結体を容易
に得ることができる。
【0081】さらに、Y23とCeO2を安定化剤とし
て含むZrO2粉末を、ZrO2のゾルおよび/または水
溶性の塩をY23、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
られたものとすることにより、ZrO2に安定化剤が均
一分散し、極めて微粒子からなる易焼結性の粉体の原料
となるため、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、強度及び靱性値の優れたもの
となる(請求項4)。
【図面の簡単な説明】
【図1】ZrO2、YO1.5、CeO2の組成範囲を示す
三角座標である。
【図2】実施例3の熱劣化試験の時間と単斜晶量との関
係を示したグラフである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Y23とCeO2を安定化剤として含む
    (但し、Y23は1モル%以上)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、Al2
    3、MgO・Al23(スピネル)、3Al23・2
    SiO2(ムライト)から選ばれた1種又は2種以上を
    1〜70内部重量%含み、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2
    μm以下であり、かつ3点曲げ強度が130kg/mm
    2以上で、焼結体のかさ密度が理論密度の99%以上で
    あり、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%以下であり
    かつ3点曲げ強度が130kg/mm2以上であること
    を特徴とする耐熱安定性に優れた高靱性セラミック焼結
    体。
  2. 【請求項2】部分安定化ジルコニアは、これに含まれる
    23、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mo
    l%を表示した三角座標において、 点A(ZrO2 87.5mol%、YO1.5 12mo
    l%、CeO2 0.5mol%) 点B(ZrO2 95.5mol%、YO1.5 4mol
    %、CeO2 0.5mol%) 点C(ZrO2 95.5mol%、YO1.5 2mol
    %、CeO2 2.5mol%) 点D(ZrO2 85.0mol%、YO1.5 2mol
    %、CeO2 13.0mol%) で示された特定4組成点を結ぶ点で囲まれた範囲内の組
    成にある請求項1に記載の耐熱安定性に優れた高靱性セ
    ラミック焼結体。
  3. 【請求項3】Y23とCeO2を安定化剤として含むZ
    rO2粉末材料(但し、Y23は1モル%以上)に対
    し、第2成分として、Al23、MgO・Al23(ス
    ピネル)、3Al23・2SiO2(ムライト)から選
    ばれた1種又は2種以上の粉末を合計で1〜70内部重
    量%の範囲で粉砕混合して得られた混合粉末を温度11
    00℃以上1600℃以下で熱間プレス法あるいは熱間
    静水圧プレス法で、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%以下となるように焼結すること
    を特徴とする耐熱安定性に優れた高靱性セラミック焼結
    体の製造方法。
  4. 【請求項4】Y23とCeO2を安定化剤として含むZ
    rO2粉末は、ZrO2のゾルおよび/または水溶性の塩
    をY23、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Z
    rO2粉末である請求項3に記載の耐熱安定性に優れた
    高靱性セラミック焼結体の製造方法。
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