JPH0772102B2 - Method for manufacturing zirconia sintered body - Google Patents

Method for manufacturing zirconia sintered body

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JPH0772102B2
JPH0772102B2 JP58110628A JP11062883A JPH0772102B2 JP H0772102 B2 JPH0772102 B2 JP H0772102B2 JP 58110628 A JP58110628 A JP 58110628A JP 11062883 A JP11062883 A JP 11062883A JP H0772102 B2 JPH0772102 B2 JP H0772102B2
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sintered body
tetragonal
crystal
zirconia
zro
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吉孝 窪田
孝次 津久間
隆明 月舘
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Tosoh Corp
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Tosoh Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は,高強度,高靱性でかつ熱安定性,機械的強度
の極めて優れたジルコニア焼結体の製造方法に関する。
さらに詳しくは、結晶相として正方晶を有し、安定化剤
を含むジルコニア粉末の予備焼結体を、高温高圧ガス圧
下で本焼結することによる、結晶相として正方晶を有す
るジルコニア焼結体の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for producing a zirconia sintered body having high strength, high toughness, thermal stability, and excellent mechanical strength.
More specifically, a zirconia sintered body having a tetragonal crystal as a crystal phase is obtained by subjecting a pre-sintered body of a zirconia powder containing a stabilizer to a tetragonal crystal as a crystal phase to a main sintering under high temperature and high pressure gas pressure. Manufacturing method.

従来ジルコニア(ZrO2)にイットリア(Y2O3),カルシ
ア(CaO),マグネシア(MgO)などの安定化剤を添加し
たジルコニア焼結体としては、立方晶のみよりなる完全
安定化ジルコニア焼結体および立方晶と単斜晶よりなる
部分安定化ジルコニア焼結体が知られており、これらの
焼結体は、耐熱材料,固体電解質などに利用されてい
る。しかし、この完全安定化ジルコニア焼結体は、常温
から1500℃の温度範囲において安定であるが、強度が低
く熱衝撃に弱いため、破損しやすく、排ガス中の酸素セ
ンサーや構造部分などの使用には限度があった。また、
立方晶と単斜晶よりなる部分安定化ジルコニア焼結体
は、完全安定化ジルコニア焼結体に比較すると、強度は
大きく熱衝撃性もよいものであるが、構造材料やダイ
ス,切削切断用工具として使用するには、充分な強度と
はいえず、さらに200℃から300℃という特定温度範囲で
長時間使用すると強度が低下し、破損するという欠点が
ある。例えば、ZrO2‐Y2O3系部分安定化ジルコニアにつ
いては、焼結温度である1500℃付近では、立方晶と正方
晶の混合相の結晶粒子からなっているが、この正方晶粒
子が室温への冷却過程において、約500℃以下で安定相
である単斜晶へ転移を起し、立方晶と単斜晶よりなる焼
結体になる。この転移した単斜晶の量が多くなると焼結
体に多数のクラックが発生し、破壊に到るのである。
A conventional zirconia sintered body in which stabilizers such as yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO) and magnesia (MgO) are added to zirconia (ZrO 2 ) is a fully stabilized zirconia sintered body consisting of only cubic crystals. A body and a partially stabilized zirconia sintered body composed of cubic crystals and monoclinic crystals are known, and these sintered bodies are used as heat-resistant materials, solid electrolytes and the like. However, although this completely stabilized zirconia sintered body is stable in the temperature range from normal temperature to 1500 ° C, it has low strength and is vulnerable to thermal shock, so it is easily damaged and is suitable for use in oxygen sensors and structural parts in exhaust gas. There was a limit. Also,
The partially stabilized zirconia sintered body consisting of cubic crystals and monoclinic crystals has higher strength and better thermal shock resistance than the fully stabilized zirconia sintered body, but structural materials, dies and cutting and cutting tools It cannot be said that the strength is sufficient to be used as, and further, there is a defect that the strength is lowered and the material is broken when it is used for a long time in a specific temperature range of 200 ° C to 300 ° C. For example, in the case of ZrO 2 -Y 2 O 3 system partially stabilized zirconia, at around 1500 ° C, which is the sintering temperature, it is composed of cubic- and tetragonal mixed-phase crystal grains. In the cooling process to 1, the transition occurs to a monoclinic crystal which is a stable phase at about 500 ° C or less, and becomes a sintered body composed of cubic crystal and monoclinic crystal. If the amount of this monoclinic crystal that has been transformed increases, many cracks will occur in the sintered body, leading to destruction.

しかし、近年室温でも主として正方晶又は、正方晶と立
方晶よりなるジルコニア焼結体が報告された(グプタ
他、T.K.GUPTA et al,Journal of Materials Science,1
2,2421(1977))。この室温で準安定である正方晶を含
有するジルコニア焼結体(以下準安定化ジルコニア焼結
体と略記する)は、立方晶よりなる完全安定化ジルコニ
ア焼結体に比べて低濃度のイットリアによって準安定化
されたZrO2‐Y2O3系の焼結体であり、立方晶と単斜晶よ
りなる部分安定化ジルコニア焼結体とも明かに異なるも
のである。この正方晶を含有する準安定化ジルコニア焼
結体は、完全安定化ジルコニア焼結体や部分安定化ジル
コニア焼結体と比較して、高強度,高靱性でありまた熱
衝撃性にも優れており、200〜300℃の温度範囲で問題に
なる経時劣化も防ぐことが可能となっている。この準安
定化ジルコニア焼結体が機械的にすぐれた特徴を示す理
由は、まだ正確には明かになっていないが、少なくとも
次のようなことが考えられる。ジルコニアにおける正方
晶と単斜晶の間の転移は、熱的にまたは周囲からの圧力
などの応力によって生じるマルテンサイト変態である。
そして正方晶から単斜晶への転移により数%の体積の膨
脹をともなう。そこで約500℃以下で、すなわち単斜晶
の安定域で準安定に存在する正方晶を含有した準安定化
ジルコニア焼結体は、その焼結体にクラックが発生する
とクラックの先端の応力によって、正方晶粒子がマルテ
ンサイト変態を起して単斜晶に転移すると同時に体積膨
脹を起し、クラックの先端部に体積膨脹による圧縮応力
が発生しクラックの進展を妨害する。このようなことに
よって準安定化ジルコニア焼結体は、すぐれた高強度,
高靱性を示すものと考えられる。またZrO2‐CaO系,ZrO
2‐MgO系焼結体においてもガービーら(Journal of Aus
t Ceram Soc.,13(5),8(1977))が室温で正方晶の
存在するカルシアとマグネシアを含む準安定化ジルコニ
ア焼結体を見出だしている。さらに、クラウゼンらによ
れば(Ceramic Bulletin,56(6),559(1977))、ア
ルミナ焼結体などのジルコニア以外の部材の中に未安定
のジルコニア粒子を正方晶形で存在させることにより、
高強度,高靱性の焼結体を得ている。しかしながら機械
部品など高度な構造材料として使用するためには、その
部品の寿命や信頼性が非常に重要となるため、これら準
安定化ジルコニア焼結体はまだ十分なものとは言えな
い。
However, in recent years, zirconia sintered bodies mainly composed of tetragonal crystals or tetragonal crystals and cubic crystals have been reported even at room temperature (Gupta et al., TKGUPTA et al, Journal of Materials Science, 1
2,2421 (1977)). This tetragonal-containing zirconia sintered body that is metastable at room temperature (hereinafter abbreviated as meta-stabilized zirconia sintered body) has a lower concentration of yttria than the fully stabilized zirconia sintered body made of cubic crystal. It is a metastabilized ZrO 2 -Y 2 O 3 system sintered body, which is clearly different from the partially stabilized zirconia sintered body composed of cubic crystal and monoclinic crystal. The meta-stabilized zirconia sintered body containing this tetragonal crystal has high strength and high toughness and excellent thermal shock resistance as compared with the fully stabilized zirconia sintered body and the partially stabilized zirconia sintered body. Therefore, it is possible to prevent deterioration over time, which is a problem, in the temperature range of 200 to 300 ° C. The reason why the meta-stabilized zirconia sintered body exhibits excellent mechanical properties has not been clarified yet, but at least the following is considered. The transition between tetragonal and monoclinic in zirconia is a martensitic transformation that occurs thermally or by stress such as pressure from the surroundings.
Then, the transition from the tetragonal system to the monoclinic system causes expansion of a volume of several%. Therefore, at a temperature of about 500 ° C. or less, that is, a metastable zirconia sintered body containing a tetragonal crystal that exists metastable in the stable region of a monoclinic crystal, due to the stress at the tip of the crack when a crack occurs in the sintered body, The tetragonal grains undergo martensitic transformation and are transformed into monoclinic crystals, and at the same time, volume expansion occurs, and compressive stress due to volume expansion occurs at the tip of the crack, which hinders the progress of the crack. As a result, the meta-stabilized zirconia sintered body has excellent high strength,
It is considered to exhibit high toughness. ZrO 2 -CaO system, ZrO
Even in the 2- MgO system sintered body, Garby et al. (Journal of Aus
t Ceram Soc., 13 (5), 8 (1977)) found a meta-stabilized zirconia sintered body containing calcia and magnesia in which tetragonal crystals exist at room temperature. Furthermore, according to Clausen et al. (Ceramic Bulletin, 56 (6), 559 (1977)), by allowing unstable zirconia particles to exist in a tetragonal crystal form in a member other than zirconia such as an alumina sintered body,
We have obtained a sintered body with high strength and high toughness. However, in order to use it as a high-grade structural material such as a mechanical part, the life and reliability of the part are very important, and therefore these meta-stabilized zirconia sintered bodies are not yet sufficient.

一方、Si3N4やSiCなど非酸化物において、その高強度で
あることが期待されているが、常圧では高密度に焼結す
ることが困難である。このような難焼結性物質につい
て、高温高圧条件下に焼結を行い、高密度化するホット
アイソスタティックプレス方法(以下HIP法と略記す
る)が提案されている。しかしながら、このHIP法の、
酸化物系の焼結体の製造における適用については、アル
ミナ系の切削工具,PZT,フェライトなどへの応用がある
他、特開昭57-130717号公報に示されているZrO2焼結体
ダイスがある。しかし、同公報におけるHIP法の適用の
目的は、焼結体ダイス中の空孔を除去し、ダイス表面の
平滑性を向上させること目的としたものであり、本発明
のような正方晶を含有させてジルコニア焼結体の抗折強
度を著しく向上させることを目的とする方法とは全く異
なるものである。
On the other hand, non-oxides such as Si 3 N 4 and SiC are expected to have high strength, but it is difficult to sinter to high density under normal pressure. A hot isostatic pressing method (hereinafter abbreviated as HIP method) of sintering such a hardly sinterable substance under high temperature and high pressure conditions to increase the density has been proposed. However, in this HIP method,
Regarding the application in the production of oxide-based sintered bodies, there are applications to alumina-based cutting tools, PZT, ferrite, etc., as well as the ZrO 2 sintered body die disclosed in JP-A-57-130717. There is. However, the purpose of applying the HIP method in the publication is to remove pores in the sintered body die and to improve the smoothness of the die surface, and contains a tetragonal crystal as in the present invention. This is completely different from the method aimed at significantly improving the bending strength of the zirconia sintered body.

本発明者らは、これらの事情に鑑み、強度および熱安定
性の優れた信頼性の高いセラミック焼結体について鋭意
研究した結果、正方晶を含むジルコニア予備焼結体をさ
らに高温高圧のガス圧下で本焼結することにより、予備
焼結体に比べて抗折強度が著しく高い正方晶を残存させ
た準安定化ジルコニア焼結体が得られることを見出だ
し、本発明に到達した。
In view of these circumstances, the present inventors have earnestly studied a highly reliable ceramic sintered body having excellent strength and thermal stability. As a result, a zirconia presintered body containing a tetragonal crystal is further subjected to high temperature and high pressure gas pressure. It was found that a meta-stabilized zirconia sintered body in which tetragonal crystals having remarkably high bending strength as compared with the pre-sintered body remain can be obtained by the main sintering, and the present invention was achieved.

すなわち、本発明は、Y2O3/ZrO2モル比5/95〜7/93のイ
ットリア、MgO/ZrO2モル比5/95〜10/90のマグネシア、C
aO/ZrO2モル比6/94〜11/89のカルシアまたはCeO2/ZrO2
モル比7/93〜12/88のセリアを含むジルコニア粉末から
なる成形体を1000〜1700℃で予備焼結してえられた、主
として正方晶または正方晶と立方晶の結晶相を有する予
備焼結体を100気圧以上、1200〜1800℃であって予備焼
結温度より150℃低い温度を下回らない温度の高温高圧
ガス圧下で本焼結することにより、主として正方晶また
は正方晶と立方晶よりなりかつ正方晶の平均結晶粒子径
が2μm以下である焼結体を得ることからなるジルコニ
ア焼結体の製造方法、を提供するものである。
That is, the present invention includes yttria having a Y 2 O 3 / ZrO 2 molar ratio of 5/95 to 7/93, magnesia having a MgO / ZrO 2 molar ratio of 5/95 to 10/90, and C
aO / ZrO 2 molar ratio 6 / 94-11 / 89 calcia or CeO 2 / ZrO 2
Pre-calcined mainly with tetragonal or tetragonal and cubic crystal phases obtained by pre-sintering a compact made of zirconia powder containing ceria with a molar ratio of 7/93 to 12/88 at 1000 to 1700 ° C. Mainly sintering tetragonal crystal or tetragonal crystal and cubic crystal by performing main sintering under high temperature and high pressure gas pressure of 100 atm or more and 1200 to 1800 ° C, which is not lower than 150 ° C lower than the pre-sintering temperature. And a method for producing a zirconia sintered body, which comprises obtaining a sintered body having a mean tetragonal crystal grain size of 2 μm or less.

本発明によって得られるジルコニア焼結体は、正方晶を
含む準安定化ジルコニア焼結体であり、従来の完全安定
化ジルコニア焼結体や部分安定化ジルコニア焼結体とは
異なり、強度および熱安定性に特に優れたものである。
そのように優れた特性を有するものを得るには、安定化
剤の種類,含有量,ジルコニア粉末の粒径,予備焼結条
件などを制御することにより正方晶を含む予備焼結体を
得、さらに特定条件でHIP法により本焼結することが必
須である。
The zirconia sintered body obtained by the present invention is a meta-stabilized zirconia sintered body containing a tetragonal crystal, which is different from the conventional fully stabilized zirconia sintered body and partially stabilized zirconia sintered body in strength and thermal stability. It is particularly excellent in sex.
In order to obtain those having such excellent properties, a pre-sintered body containing tetragonal crystals is obtained by controlling the kind and content of the stabilizer, the particle size of the zirconia powder, the pre-sintering conditions, etc. Furthermore, it is essential to perform the main sintering by the HIP method under specific conditions.

以下、本発明をさらに詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明の焼結体を製造するために用いられる原料粉末
は、ジルコニア粉末と安定化剤としてイットリア,マグ
ネシア,カルシアまたはセリアが用いられるが、イット
リアを用いる場合、ジルコニアとイットリアの比は、Y2
O3/ZrO2モル比として5/95〜7/93の範囲である。ここ
で、イットリアの添加量が5モル%以上であれば、焼結
体中の単斜晶の量が少なくなって、焼結体にクラックが
発生しにくくなり、また200〜300℃の特定温度域に長時
間保持しても強度劣化を起さない。ただし、イットリア
の添加量が7モル%を越すと、立方晶のみの焼結体とな
り、前記の正方晶の転移効果が生じない。
The raw material powder used for producing the sintered body of the present invention includes zirconia powder and yttria, magnesia, calcia or ceria as a stabilizer. When yttria is used, the ratio of zirconia to yttria is Y 2
The O 3 / ZrO 2 molar ratio is in the range of 5/95 to 7/93. Here, when the amount of yttria added is 5 mol% or more, the amount of monoclinic crystals in the sintered body is small, cracks are less likely to occur in the sintered body, and the specific temperature of 200 to 300 ° C. Even if it is kept in the area for a long time, strength does not deteriorate. However, when the amount of yttria added exceeds 7 mol%, a cubic crystal-only sintered body is formed, and the tetragonal transition effect does not occur.

また、粉末中では、イットリアがジルコニア中に均一に
固溶しているか、または均一に分散していることが好ま
しい。そのためには、ジルコニアとイットリアの平均粒
径1μm以下の微粉末をボールミルなどで直接混合し、
500〜1100℃の範囲で仮焼してもよいが、ハロゲン化ジ
ルコニウム,オキシハロゲン化ジルコニウム,ジルコニ
ウムの硝酸塩,炭酸塩などのジルコニウム化合物及びハ
ロゲン化イットリウムなどのイットリウム化合物を溶液
の状態で均一に混合した後、あるいはその均一混合溶液
から加水分解もしくはアルカリによって沈殿物を析出さ
せた後、溶媒を除去し、固形物のみを500〜1100℃で仮
焼する方法、又はジルコニウム化合物を含む溶液とイッ
トリアもしくはジルコニアとイットリウム化合物を含む
溶液とを均一に混合した後、溶媒を除去し固型物のみを
500〜1100℃で仮焼する方法によって原料粉末を得るこ
とが好ましい。
Further, in the powder, it is preferable that yttria is uniformly dissolved in zirconia as a solid solution or uniformly dispersed. For that purpose, fine powder of zirconia and yttria with an average particle size of 1 μm or less is directly mixed by a ball mill or the like,
Calcination may be performed in the range of 500 to 1100 ℃, but zirconium halides, zirconium oxyhalides, zirconium nitrates, zirconium compounds such as carbonates, and yttrium compounds such as yttrium halides should be mixed uniformly in solution. After or after precipitating a precipitate by hydrolysis or alkali from the homogeneous mixed solution, the method of removing the solvent, calcining only the solid at 500 ~ 1100 ℃, or a solution containing a zirconium compound and yttria or After uniformly mixing the zirconia and the solution containing the yttrium compound, the solvent is removed and only the solid matter is removed.
The raw material powder is preferably obtained by a method of calcination at 500 to 1100 ° C.

このようにして得た粉末を湿式粉砕によって粉砕し、乾
燥して成形用粉体を得る。この粉体の平均粒径は、0.1
μm程度であり、また比表面積は5〜50m2/g程度である
が、比表面積については通常5〜20m2/g程度のものが用
いられる。次に、金型プレスや静水圧プレス成形または
泥しょう鋳込み,押出し射出成形などの種々の成形方法
によって所定の形状にした成形体を得る。この場合、成
形方法に応じて粉末に通常使用される成形助剤などを添
加して処理を行っても何らさしつかえない。この成形体
を大気,酸素,不活性ガスのいずれかの雰囲気中で1000
〜1700℃で焼結し、主として正方晶または正方晶と立方
晶よりなるジルコニア予備焼結体を得る。このHIP法処
理前の焼結体において重要なことは、この焼結体が後述
するHIP法処理によって抗折強度が高められることであ
る。このためには、HIP法処理前の予備焼結体におい
て、正方晶粒子の平均粒子径が本焼結体同様2μm以下
であることが好ましい。
The powder thus obtained is pulverized by wet pulverization and dried to obtain a molding powder. The average particle size of this powder is 0.1
The specific surface area is about 5 to 20 m 2 / g, though the specific surface area is about 5 to 50 m 2 / g. Next, a molded body having a predetermined shape is obtained by various molding methods such as mold pressing, isostatic pressing, mud casting, and extrusion injection molding. In this case, depending on the molding method, the powder may be added with a molding aid ordinarily used to carry out the treatment. 1000 times this molded body in an atmosphere of air, oxygen, or an inert gas.
Sintering at ˜1700 ° C. gives a zirconia pre-sintered body mainly composed of tetragonal crystals or tetragonal crystals and cubic crystals. What is important in the sintered body before the HIP method treatment is that the transverse strength is increased by the HIP method treatment described later. To this end, in the pre-sintered body before the HIP method treatment, it is preferable that the average particle size of the tetragonal crystal particles is 2 μm or less, as in the present sintered body.

このようにして得られたジルコニア予備焼結体は、アル
ゴン,窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で100気圧以上
の圧力下に1200〜1800℃の温度範囲で、またZrO2‐Y2O3
系の焼結体の場合好ましくは、1200〜1650℃の温度範囲
で、ただしいずれにおいても予備焼結温度より150℃低
い温度を下回らない温度でHIP法処理を行う。このHIP法
処理の圧力と温度は、予備焼結体の密度,結晶相などに
よって決定されるが、HIP法処理の温度が1200℃未満又
は予備焼結温度より150℃低い温度未満の場合、あるい
はその圧力が100気圧未満の場合は、HIP法処理による本
焼結体の抗折強度等の特性向上は認められなくなる。ま
た、ZrO2‐Y2O3系焼結体では、1800℃以上になると、焼
結体中の正方晶粒子の平均粒子径が2μm以上になり好
ましくない。これは、強度の急激な低下は認められない
が、200〜300℃の特定温度領域に長時間保持すると、単
斜晶の生成による微細なクラックが発生し強度が低下す
る現象が生じやすくなるためである。
The zirconia pre-sintered body thus obtained has a temperature range of 1200 to 1800 ° C. under a pressure of 100 atm or more in an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen gas, and ZrO 2 —Y 2 O 3
In the case of the sintered body of the system, the HIP method treatment is preferably carried out in the temperature range of 1200 to 1650 ° C., but at a temperature not lower than 150 ° C. lower than the pre-sintering temperature in any case. The pressure and temperature of this HIP process are determined by the density of the pre-sintered body, the crystal phase, etc., but when the temperature of the HIP process is less than 1200 ° C or less than 150 ° C lower than the pre-sintering temperature, or When the pressure is less than 100 atm, improvement in properties such as transverse rupture strength of the sintered body by the HIP method treatment cannot be recognized. Further, in the ZrO 2 —Y 2 O 3 system sintered body, when the temperature is 1800 ° C. or higher, the average particle diameter of the tetragonal crystal particles in the sintered body becomes 2 μm or more, which is not preferable. This is because a sharp decrease in strength is not observed, but if held in a specific temperature range of 200 to 300 ° C for a long time, minute cracks due to the formation of monoclinic crystals tend to occur and the phenomenon of strength decrease easily occurs. Is.

この焼結体の正方晶粒子の平均粒子径は、ジルコニア焼
結体の鏡面研磨した面を弗化水素酸でエッチングしたも
のの電子顕微鏡写真による観察から以下のようにして求
めることができる。すなわち、焼結体が正方晶のみから
なる場合は、正方晶粒子を100個以上含むような一定面
積S内に存在する正方晶粒子数nから求められる正方晶
粒子1個あたりの平均面積s(s=S/n)に等しい面積
の円の直径dを式d=(4s/π)1/2により計算し、焼結
体の正方晶粒子の平均焼結粒子径とした。また、正方晶
のみからなるものでない場合も、正方晶含有率をf、一
定面積S内に含まれる正方晶粒子数をn(写真では正方
晶粒子と区別がつけがたい単斜晶粒子をも正方晶粒子と
して数える。単斜晶粒子は、冷却の過程で正方晶粒子の
一部が相転移して生じたものであって、正方晶粒子と大
きさに違いが小さく、正方晶とみなしても大きな誤差と
ならないからである。いっぽう、立方晶粒子は、正方晶
粒子より大きくて明確に区別することができる)、その
1個あたりの平均面積をsとすれば、 s=S・f/n となり、これによって正方晶のみからなる系と同様に焼
結体の正方晶粒子の平均結晶粒子径が求まる。
The average particle size of the tetragonal particles of this sintered body can be determined as follows from the observation by an electron micrograph of a mirror-polished surface of the zirconia sintered body which is etched with hydrofluoric acid. That is, when the sintered body is composed only of tetragonal crystals, the average area s () of one tetragonal particle obtained from the number n of tetragonal particles existing in a certain area S containing 100 or more tetragonal particles The diameter d of a circle having an area equal to s = S / n) was calculated by the formula d = (4s / π) 1/2, and was taken as the average sintered particle diameter of the tetragonal particles of the sintered body. In addition, even if it is not composed only of tetragonal crystals, the tetragonal crystal content is f, and the number of tetragonal crystal particles contained in a certain area S is n (even monoclinic crystal particles that cannot be distinguished from tetragonal crystal particles in the photograph are also included. Counted as tetragonal grains Monoclinic grains are produced by a phase transition of some tetragonal grains during the cooling process, and the size difference between tetragonal grains is small, and they are regarded as tetragonal grains. On the other hand, cubic grains are larger than tetragonal grains and can be clearly distinguished.) If the average area per grain is s, then s = Sf / Then, the average crystal grain size of the tetragonal grains of the sintered body can be obtained in the same manner as the system consisting of only tetragonal crystals.

このHIP法処理において、処理前の焼結体の対理論密度
が低く、焼結体中の気孔が表面に連通した開孔となって
いるものがある場合、そのままHIP法処理したのでは閉
孔部のみが消減し、開孔部はそのまま残留することにな
るので、対理論密度の低い焼結体は、Si,A1等の酸化物
または窒化物等を被覆して封孔処理を行いHIP法処理す
ることが好ましい。一般に、空隙率5%以下のものはこ
の封孔処理の必要はない。
In this HIP method treatment, if the theoretical density of the sintered body before treatment is low and some pores in the sintered body are open holes that communicate with the surface, it is possible that the HIP method is used to close the pores. Since only the part will be consumed and the open part will remain as it is, the sintered body with low theoretical density is covered with oxides or nitrides such as Si and A1 and sealed by HIP method. Treatment is preferred. Generally, if the porosity is 5% or less, this sealing treatment is not necessary.

以上のようにしてHIP法処理が施されたジルコニア焼結
体は、主として正方晶または正方晶と立方晶の結晶相よ
りなる。それぞれの存在割合は、モル%として、 正方晶=10〜100 単斜晶=0〜40 立方晶=100−(正方晶+単斜晶) であることが重要である。さらに、正方晶が50モル%以
上であり、かつ単斜晶が10モル%以下であることが高強
度を得るうえで好ましい。ここで、正方晶が10モル%未
満になると正方晶の転移による強化機構がほとんど作用
しなくなり、またHIP法処理の効果も小さいものとな
る。また、単斜晶が40モル%を越えてくると、焼結体中
の微細なクラックが発生しやすくなり強度の低下や200
〜300℃での安定性も低下し、機械部品などとして実用
上使用できなくなる。ここで、正方晶,単斜晶,立方晶
の含有率は、焼結体のX線回折法によって分析し、その
回折パターンのピークを積分して得た強度から次式によ
って計算した。
The zirconia sintered body that has been subjected to the HIP method treatment as described above is mainly composed of tetragonal or tetragonal and cubic crystal phases. It is important that the abundance of each is, as mol%, tetragonal crystal = 10 to 100 monoclinic crystal = 0 to 40 cubic crystal = 100− (tetragonal crystal + monoclinic crystal). Further, it is preferable that the tetragonal crystal content is 50 mol% or more and the monoclinic crystal content is 10 mol% or less in order to obtain high strength. Here, if the content of the tetragonal crystal is less than 10 mol%, the strengthening mechanism due to the transition of the tetragonal crystal hardly acts, and the effect of the HIP method treatment becomes small. Also, if the monoclinic crystal exceeds 40 mol%, fine cracks in the sintered body are likely to occur, resulting in a decrease in strength or 200
The stability at ~ 300 ° C also deteriorates, making it practically unusable as a machine part. Here, the contents of tetragonal crystals, monoclinic crystals and cubic crystals were calculated by the following formula from the intensity obtained by analyzing the sintered body by the X-ray diffraction method and integrating the peaks of the diffraction pattern.

CM={M/(M+T<111>+C<111>)}×100 CT={(T<220>+T<004>)/(C<400>+T<2
20> +T<004>)}×(100−CM)×100 CC=100−(CM+CT) ただし、 CM:単斜晶系ジルコニアの含有率(モル%) CT:正方晶系ジルコニアの含有率(モル%) CC:立方晶系ジルコニアの含有率(モル%) M:単斜晶系ジルコニアの<111>と<111>の回折線の強
度の和 T<111>,T<220>,T<004>:正方晶系ジルコニアの
<111>,<220>,<004>の各々の回折線の強度 C<111>,C<400>:立方晶系ジルコニアの<111>,
<400>の各々の回折線の強度 以上、安定化剤としてイットリアを含むジルコニア焼結
体を例として説明したが、安定化剤としてマグネシア,
カルシアまたはセリアを使用した場合も同様なジルコニ
ア焼結体を得ることができる。この場合、安定化剤の含
有量としてはマグネシアでは5〜10モル%,カルシアで
は6〜11モル%,セリアでは7〜12モル%であることが
好ましい範囲である。また、これらの安定化剤を2種以
上混合しても何らさしつかえない。
C M = {M / (M + T <111> + C <111>)} × 100 C T = {(T <220> + T <004>) / (C <400> + T <2
20> + T <004>)} × (100−C M ) × 100 C C = 100− (C M + C T ) where C M : monoclinic zirconia content (mol%) C T : tetragonal System zirconia content (mol%) C C : Cubic zirconia content (mol%) M: Sum of <111> and <111> diffraction line intensities of monoclinic zirconia T <111>, T <220>, T <004>: Intensity of diffraction lines of <111>, <220>, and <004> of tetragonal zirconia C <111>, C <400>: <111 of cubic zirconia >,
Intensity of Diffraction Lines of <400> As described above, the zirconia sintered body containing yttria as a stabilizer has been described as an example.
A similar zirconia sintered body can be obtained by using calcia or ceria. In this case, the content of the stabilizer is preferably 5 to 10 mol% in magnesia, 6 to 11 mol% in calcia, and 7 to 12 mol% in ceria. Moreover, it does not matter even if two or more kinds of these stabilizers are mixed.

以上述べたように、本発明の方法によれば、HIP法処理
を施さないものに比べて、通常、抗折強度が1.2倍以
上、場合によっては2.7倍以上に向上したジルコニア焼
結体を得ることができる。また、本発明は、高温高圧ガ
スの圧力を用いることによって、複雑な形状をした焼結
体を製造することが可能となり、該セラミック焼結体を
高性能な機械部品などの構造材料として用いることを可
能としたものである。
As described above, according to the method of the present invention, in comparison with the one not subjected to the HIP method treatment, the bending strength is usually 1.2 times or more, and in some cases, 2.7 times or more is obtained as a zirconia sintered body. be able to. Further, according to the present invention, it becomes possible to manufacture a sintered body having a complicated shape by using the pressure of the high temperature and high pressure gas, and the ceramic sintered body is used as a structural material such as a high performance machine part. Is made possible.

なお、該セラミック焼結体は、高温において酸素イオン
伝導性を示し、熱衝撃強度および機械的強度が優れてい
ることから種々の用途に使用できる。たとえば、酸素濃
淡電池用固体電解質,内燃機関の部品,切削バイト,ダ
イス,刃物,その他産業用機械などの摺動部品などの部
品類など極めて広い範囲に利用できる。
The ceramic sintered body exhibits oxygen ion conductivity at high temperatures and is excellent in thermal shock strength and mechanical strength, and thus can be used for various purposes. For example, it can be used in a very wide range such as solid electrolytes for oxygen concentration batteries, internal combustion engine parts, cutting tools, dies, blades, and other parts such as sliding parts for industrial machines.

以下、本発明方法を実施例によって更に具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。
Hereinafter, the method of the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1) 酸化ジルコニウムと酸化イットリウムの総モル量に対し
て酸化イットリウムのモル濃度が6モル%になるよう
に、オキシ塩化ジルコニウムと塩化イットリウムの水溶
液を調製し、60時間加熱して蒸発させて乾燥させ、この
乾燥物を900℃で仮焼し、6モル%のイットリアを固溶
又は分散した平均粒子径0.35μmのジルコニア粉末を得
た。
(Example 1) An aqueous solution of zirconium oxychloride and yttrium chloride was prepared so that the molar concentration of yttrium oxide was 6 mol% with respect to the total molar amount of zirconium oxide and yttrium oxide, and the mixture was heated for 60 hours and evaporated. This was dried and calcined at 900 ° C. to obtain zirconia powder having an average particle diameter of 0.35 μm in which 6 mol% of yttria was dissolved or dispersed.

この粉末をエタノールを用いてボールミルで粉砕し、乾
燥,整粒を行い成形用粉末を得た。
This powder was pulverized with ethanol in a ball mill, dried and sized to obtain a molding powder.

この粉末を冷間静水圧プレス成形した後、大気中で2時
間焼成を行い、ジルコニア予備焼結体を得た。さらにこ
の予備焼結体をHIP法処理を行い本発明方法によるジル
コニア焼結体を得た。予備焼結温度,HIP法処理の条件,
焼結体の密度,正方晶および立方晶の含有率,正方晶の
平均粒子径,抗折強度などを表1および表2に示す。ま
た、比較のためHIP処理をしない予備焼結体の抗折強度
を示す。抗折強度の測定は、焼結体より3×4×40mmの
試験片を切り出し、#400のホイールを用いて研削仕上
げを行い、スパン30mm、クロスヘッド速度0.5mm/minに
よる3点曲げにより測定した。
This powder was cold isostatically pressed and then fired in the atmosphere for 2 hours to obtain a zirconia pre-sintered body. Further, this pre-sintered body was subjected to HIP method treatment to obtain a zirconia sintered body according to the method of the present invention. Pre-sintering temperature, HIP process condition,
Tables 1 and 2 show the density of the sintered body, the contents of tetragonal and cubic crystals, the average particle size of tetragonal crystals, and the bending strength. For comparison, the bending strength of the pre-sintered body without HIP treatment is also shown. The bending strength is measured by cutting out a 3 × 4 × 40 mm test piece from the sintered body, grinding and finishing it with a # 400 wheel, and measuring it by 3-point bending with a span of 30 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min. did.

(実施例2) 実施例1と同じ方法で塩化イットリウムの代りに塩化カ
ルシウム,塩化マグネシウムまたは塩化セリウムを用い
たものの3種類の粉末を合成した。これらの粉末を用い
て予備焼結,HIP法処理を行い、ジルコニア焼結体を製造
し、その特性を測定した。それらの条件および結果を表
1および表2に示す。同時に比較としてHIP法処理をし
なかったものについても示す。
(Example 2) Three kinds of powders were synthesized in the same manner as in Example 1, except that calcium chloride, magnesium chloride or cerium chloride was used instead of yttrium chloride. Pre-sintering and HIP method treatment were performed using these powders to produce zirconia sintered bodies, and their characteristics were measured. The conditions and the results are shown in Tables 1 and 2. At the same time, as a comparison, the one not subjected to the HIP method treatment is also shown.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Y2O3/ZrO2モル比5/95〜7/93のイットリ
ア、MgO/ZrO2モル比5/95〜10/90のマグネシア、CaO/ZrO
2モル比6/94〜11/89のカルシアまたはCeO2/ZrO2モル比
7/93〜12/88のセリアを含むジルコニア粉末からなる成
形体を1000〜1700℃で予備焼結してえられた、主として
正方晶または正方晶と立方晶の結晶相を有する予備焼結
体を100気圧以上、1200〜1800℃であって予備焼結温度
より150℃低い温度を下回らない温度の高温高圧ガス圧
下で本焼結することにより、主として正方晶または正方
晶と立方晶よりなりかつ正方晶の平均結晶粒子径が2μ
m以下である焼結体を得ることを特徴とするジルコニア
焼結体の製造方法。
1. Y 2 O 3 / ZrO 2 molar ratio yttria of 5/95 to 7/93, MgO / ZrO 2 molar ratio 5/95 to 10/90 magnesia, CaO / ZrO.
2 molar ratio 6 / 94-11 / 89 calcia or CeO 2 / ZrO 2 molar ratio
Pre-sintered body having mainly tetragonal or tetragonal and cubic crystal phases obtained by pre-sintering a compact made of zirconia powder containing 7/93 to 12/88 ceria at 1000 to 1700 ° C. By main sintering under high temperature and high pressure gas pressure of 100 atm or more and 1200 to 1800 ° C. and not lower than 150 ° C. lower than the pre-sintering temperature to mainly form tetragonal crystals or tetragonal and cubic crystals and Tetragonal average crystal grain size is 2μ
A method for producing a zirconia sintered body, characterized in that a sintered body having a size of m or less is obtained.
【請求項2】ジルコニア焼結体の結晶相の存在割合がモ
ル%として、 正方晶=10〜100 単斜晶=0〜40 立方晶=100−(正方晶+単斜晶) である特許請求の範囲第1項記載のジルコニア焼結体の
製造方法。
2. A zirconia sintered body having a crystal phase abundance ratio of mol%: tetragonal crystal = 10 to 100 monoclinic crystal = 0 to 40 cubic crystal = 100− (tetragonal crystal + monoclinic crystal) 2. A method for producing a zirconia sintered body according to claim 1.
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