JPS59128268A - 複合セラミック粉体及びその製造方法 - Google Patents

複合セラミック粉体及びその製造方法

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JPS59128268A JP58003336A JP333683A JPS59128268A JP S59128268 A JPS59128268 A JP S59128268A JP 58003336 A JP58003336 A JP 58003336A JP 333683 A JP333683 A JP 333683A JP S59128268 A JPS59128268 A JP S59128268A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸化アルミニウムの微粒子中に酸化ジルコニ
ウムを細かく分散することに上り酸化アルミニウム中で
酸化ジルコニウムが正方晶のみの結晶形をとるようにし
た複合セラミック粉体及びその製造方法に関するもので
あり、この複合セラミック粉体を原料として成形焼結晶
を製造した場合に酸化アルミニウム中に酸化ジルコニウ
ムが均一に細かく分散し、機械的強度の優れたジルコニ
ア分散セラミックスを得ることのできるセラミック粉体
原料を提供するものである。
酸化ジルコニウムを他のセラミック組織(マトリックス
)中に細かく分散させたセラミック焼結体はジルコニア
分散セラミックス(ZirconiaDisperse
d Ceramics 、略してZDC)と呼ばれ、酸
化ジルコニウム(ジルコニア)の添加により著しく靭性
が増すことが知られている(例えば、[セラミックスJ
Vo1.17 (1982)、扁2、p106−111
及び特開昭52−86413号公報)。この靭性発現の
理由は細かく分散した酸化ジルコニウムがセラミックス
組織(マトリックス)中で正方晶で存在し、この正方晶
の酸化ジルコニウムは破断のクラックが伝播する時に、
単斜晶に変態するためであると考えられている。酸化ジ
ルコニウムがセラミック組織中で正方晶をとるためには
、臨界粒子径以下の大きさでなければならず、例えば酸
化アルミニウム(アルミナ)組織中では5000^程度
といわれており、これより小さく分散させなければ、靭
性を高める効果は殆んどない。従って靭性の高いジルコ
ニア分散セラミックスを作るには原料粉体の時点から、
いかに細かく混合させるかを考える必要がある。
/ルコニア分散セラミックスのうち酸化アルミニウムー
酸化ジルコニウムの場合をみると、原料i体の調製とし
ては、まず機械的に酸化アルミニウムと酸化ジルコニウ
ムを粉砕混合する方法が知られているが、原料粉体、特
に酸化ジルコニウムが十分に小さくないと5000X以
下の粒径に分散させた焼結体は製造困難であり、また酸
化ジルコニウムが十分小さくても混合不十分によって酸
化ジルコニウムが局部的に集合しているとその集合は焼
結によって粗大粒子に成長し、強度低下の原因となるこ
とが多く問題である。水溶性のアルミニウム塩及びジル
コニウム塩を水に溶解させておき、アンモニアなどによ
シ溶液を塩基性とすることにより、水酸化アルミニウム
と水酸化ジルコニウムを同時に沈澱させ、この沈澱を仮
焼して酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの混合粉体
とする方法も知られている。この方法では仮焼によって
粒子の成長が起り、寸た粒子同士の凝集も著しくなり、
セラミック原料粉体として具備すべき、細かく、分散性
が良いという2点が満足されず、緻密な焼結体を作るこ
とが難しくなる。
アルミニウムアルコキシドトシルコニウムアルコキシド
を用いて均一なゾルを作り、それを加熱してゲルとし、
これを十分乾燥後粉砕したのち成形焼結する方法(例え
ばJ、 Am、 ceram、 soc、 、 Vol
61 、A I (1981) p37−39)は良好
な酸化ジルコニウムの分散が得られるが、操作が複雑で
経済性に問題があると考えられる。
以」二のように従来の方法で製造される酸化ジルコニウ
ムが分散した酸化アルミニウムの成型焼結体においては
、酸化ジルコニウムが十分に細かい状態で且つほとんど
が正方晶の結晶形で分散してなるものを製造するのは非
常に難しがった。本発明者は、酸化アルミニウム中に酸
化ジルコニウムが均一に細かく、その多くが正方晶の状
態で分散してなる機械的強度の優れた成型焼結体を比較
的容易に得るための原料粉体につき研究し、本発明に到
達したものである。
即ち、本発明は、酸化アルミニウムの微粒子中に結晶形
が正方晶のみの酸化ジルコニウムが分散してなることを
特徴とする複合セラミック粉体に関するものであり、こ
のような粉体は、本発明者によ、9見い出された製造方
法によってその製造がはじめて可能となった。
アルミニウムハロゲン化物トシルコニウムハロゲン化物
の蒸気を高温の酸化雰囲気、例えば酸水素炎中で反応さ
せると、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムが均一に
混合した平均200〜1000人程度の微粒子が得られ
るが、通常の方法では、酸化ジルコニウムが正方晶のみ
の結晶形で酸化アルミニウム微粒子中に分散してなる粉
体を製造することはできない。本発明者は既に先の出願
(特願昭57−50541号)において、複合セラミッ
ク粉体に関し、塩化アルミニウムと塩化ジルコニウムを
原料として、この2種の原料ガスの相対的な吹き込み位
置をかえることによって、生成する酸化ジルコニウムの
結晶として正方晶が増加すること、また焼結体の強度も
増すことを示し、これが酸化ジルコニウムを中心部(コ
ア部)とし酸化アルミニウムを外殻部(シェル部)とす
る二重構造のためであることを示した。
同一ノズルから吹き込んだ方がよりよい混合が期待され
るにもかかわらず、それができなかったのは従来使用し
ていた蒸発器ではキャリアーガスと塩化アルミニウムあ
るいは塩化ジルコニウムの接触が悪く、そのため蒸発器
としては容積の大きいものを用い、かつ大量の塩化アル
ミニウムあるいは塩化ジルコニウムを蒸発器内に仕込ん
だためガスの流れ方が間欠的になり、塩化アルミニウム
ばかり反応器に吹き込まれる時と、塩化ジルコニウムば
かり反応器に吹き込まれる時ができて良好な運転が維持
できなかったためである−この欠点を克服するために本
発明者は、蒸発器を改造して小型でかつ、一定の蒸発が
行われるように工夫し、塩化アルミニウム、塩化ジルコ
ニウムを同一ノズルから吹き込んでも、常に一定量、一
定組成の原料が反応器中に吹き込まれるようにして、酸
水素炎中で酸化反応により、酸化アルミニウムと酸化ン
ルコニウムが均一に混合した粉体を生成させた。
この装置を用いて製造される粉体は、球状の粉体で平均
粒径は200〜1000^であり、この粉体を通常のX
線回折法で測定すると、酸化ジルコニウムの含有量が2
5重量%以下の粉体では酸化ジルコニウムとしては正方
晶のピークのみ観察され、単斜晶のピークは観察されな
かった。酸化アルミニウムの結晶形はあまり明確ではな
いが、非晶質又はδ(デルタ)晶と考えられる。
X線回折のピークの幅から結晶子の径を推定できること
が知られている。その方法は例えば、L、 V、 Az
aroff著、平材、岩崎共訳「X線結晶学の基礎」p
562−571、丸善(1973)に示されているが、
シェラ−(3cherrer )の式を用いるものであ
る。
ここで    D:結晶子の径 に:定数 λ χ線の波長 βc8:補正した半値幅 θニブラッグ(Bragg )角 である。
このシェラ−(5cherrer )の式からも明らか
なように、X線ピークの幅が広い場合は結晶子径が小さ
いことが推定される。
塩化アルミニウムと塩化ジルコニウムを同じノズルから
吹き出させて生成させた酸化アルミニウムと酸化ジルコ
ニウムの複合粉体では、このX線回折ピークの半値幅か
ら酸化ジルコニウムの結晶子径を計算すると、約4oi
〜80久程度となった。−ところが、透過型電子顕微鏡
の観察では平均200X〜1000″Aであり、100
穴以下の粒子は全く見あたらないか、あっても極めてわ
ずかであった。従って、酸化ジルコニウムの40久〜8
0Xの粒子は酸化アルミニウムの数百穴の大きさの粒子
中に細かく分散していると認められる。酸化ジルコニウ
ムの粒子は粒径が小さくなると正方晶になると言われて
おり、セラミックスのマトリックスに拘束されている場
合と、非拘束の粉体では異なるが、非拘束の粉体では例
えばR,C,Garvie (J。
Phys、 Chem、 Vol、 69. p123
8 (1965))によれば300X以下では正方晶が
安定であるとしている。
従って40X〜80Xの酸化ジルコニウムは当然正方晶
と予想され、その通シの結果が得られた。
本発明に係る複合セラミック粉体中の酸化ジルコニウム
の含有量の望ましい範囲は10〜25重量係である。1
0重重量板下では、酸化ジルコニウムによる靭性発現が
少なく、成型焼成体の強度が十分に向」ニしないし、2
5重重量板上では単斜晶が形成されやすくなるからであ
る。30重量係以上ではX線回折により単斜晶の形成が
明らかに認められる。
尚、複合セラミック粉体の粒径は反応時間その他の製造
条件により制御することができる。
以下図面に従って、本発明に係る複合セラミック粉体の
製造方法の一例について説明する。
第1図は、複合セラミック粉体を製造する方法の工程を
示す図であり、反応器1、ハロゲン化アルミニウムの蒸
発器2、ハロゲン化ジルコニウムの蒸発器6、スクラバ
ー4及び気液分離器5等から成っている。
ハロゲン化アルミニウムの蒸発器2及びハロゲン化ジル
コニウムの蒸発器3はいずれも円筒型で外部から電気炉
6を用いて加熱するものであり、下部は上部よりも内径
を小さくし、この内径の小さい下部に直径0.2 m+
nφ〜1.0調φ程度の大きさの無機物固体粒子を充填
し底部よりキャリアーガスを7の方向より吹き込んで流
動床8を形成させる。無機物固体粒子としては、酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウムの他シリカ、ムライト、
ガラス球等が用いられ得るが製品となる粉体の純度を保
つため及び入手容易さ等から酸化アルミニウムが最も望
ましい。まだ、キャリアーガスとしては窒素ガス等の不
活性カスが望捷しい。ハロゲン化アルミニウム及びハロ
ゲン化シルコニウムハソレソれ蒸発器2の供給口9と蒸
発器乙の供給口9より連続的又は断続的に供給される。
供給される・・ロケン化アルミニウム及ヒハロケン化ジ
ルコニウムは塊状又は粉状であり、かさ比重が流動床粒
子よりも小さいので流動床の上部で流動し、下部より吹
き上げられるキャリアーガスと良好な接触を示し、蒸発
器の運転温度に対応する一定の蒸気圧分だけ蒸発して蒸
発器からキャリアーガスとともに出て行く。ガス状のハ
ロゲン化アルミニウムを含む混合ガスとガス状のハロゲ
ン化ジルコニウムを含む混合ガスは各々ヒーター10に
よって加熱された導管11 、1 i’を通ってガス混
合器12に導かれ、更に混合されてハロゲン化アルミニ
ウム、ハロゲン化ジルコニウム及びキャリアーガスから
成る混合ガスを形成せしめられて後、反応器1の中へ吹
き込まれる。ハロゲン化アルミニウムとハロゲン化ジル
コニウムの配合比は、蒸発器2及び蒸発器乙の運転温度
に基づく蒸発量の制御及びキャリアーガスの流量に応じ
て調整することができる。
キャリアーガスの流量は0.1〜0.4NM3/Hr程
度が適当であり、この範囲において、ハロゲン化アルミ
ニウム側のキャリアーガスの流量とかロケン化ジルコニ
ウム側のキャリアーガスの流量を同じとしてもよいし、
相違させてもよい。ハロゲン化アルミニウム及ヒハロゲ
ン化ジルコニウムとしては塩化物、臭化物、ヨウ化物及
びフッ化物等があるが、最も望ましいのは塩化物であり
、次いで臭化物が扱いやすい。蒸発器2及び蒸発器乙の
運転温度はこれらのハロゲン化物について昇華点以下の
温度とされる。例えば塩化アルミニウムの場合、蒸発器
2の温度は130〜17[]℃程度が望ましく、塩化ア
ルミニウムの蒸発量やキャリアーガスの流量との関係で
適切な配合比となるように塩化ジルコニウムの蒸発器乙
の温度を設定する。
ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化ジルコニウム及び
キャリアーガスからなる混合ガスを反応器中へ吹き込む
だめの吹込みノズルは高温にさらされると、酸化アルミ
ニウムや酸化ジルコニウムが堆積して閉塞しやすいので
、吹込みノズルを保護するためにその外周から窒素など
の不活性ガスを16の方向から吹き込む。反応器1上部
には14の方向から水素ガスを、15の方向から酸素ガ
スを吹き込み、酸水素炎を形成させる。酸素と水素の吹
き込み角度は水平で、且つ同一方向に渦を成すようにす
ると良好な燃焼が行われる、。酸素の代りに空気、特に
予熱空気等、又水素の代りにメタン宿−の炭化水素ガス
を用いることもできる。・・ロゲン化アルミニウム、ハ
ロゲン化ジルコニウム及びキャリアーガスから成る混合
ガスは上方から火炎の真中へ吹き込まれ、800〜19
00℃で酸化反応が起シ、酸化アルミニウムと酸化ジル
コニラムの2成分からなるセラミック粉体が生成する。
セラミック粉体と高温ガスとの混合物は反応器下部で1
6の方向より吹き込まれるクエンチガスによって急冷さ
れ、反応を停止される。クエンチガスとしては、窒素、
スチーム、必ろいはプロセスオフカス(リサイクルガス
)などが用いられる。
急冷された混合ガスはスクラバー4によって水と接触し
、これにより生成したセラミック粉体は水と親和するた
め、気液分離器5において、液中に懸濁して残存し、気
液分離器5から出てゆくガス中にはセラミック粒子は殆
んど含壕れない。
気液分離器5の下部から適宜、水とセラミック粉体のス
ラリー17が抜き出される。このスラリ・−17は、遠
心分離、水洗等を繰り返しブζ後乾燥されて複合セラミ
ック粉体が得られる。また、下部の水はポンプ18によ
ってスクラバー4へ供給され、循環使用される。気液分
離器5から19へ出るプロセスオフガスは若干の塩素ガ
スあるいは塩酸ガスを含むので除害処理をしたのち放出
される。
本発明による酸化アルミニウムの微粒子中に結晶形が正
方晶のみの酸化ジルコニウムが分散してなる複合セラミ
ック粉体を原料として成型体を作り、これを焼結するこ
とによって得られるジルコニア分散セラミックスは、酸
化アルミニウム単独の成型焼結体や、酸化アルミニウム
粉と酸化ノルコニウム粉を別々に製造してから混合した
ものの成型焼結体に比べて、機械的性能が著しく向上す
るので切削工具等の硬質材として優れたものが得られる
。機械的強度が向」ニする主たる理由は、本発明に係る
粉体では、酸化アルミニウム微粒子中に分散している酸
化ゾルコニウムが非常に細かく目一つ正方晶のみの結晶
形であるので、この粉体を成型焼結したものにおいても
酸化ジルコニウムは均一に細かく分散することができる
とともに靭性を発現する正方品をよりとりやすく、単斜
晶の形成が抑制されるからであると考えられる。
まだ、本発明による複合セラミック粉体の製造方法にお
いては、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化ジルコニ
ウム及びキャリアーノノスがら成る混合ガスを予め形成
しておいてから、これをバーナー燃焼室に吹き込むため
、ノ・ロケン化アルミニウムと・・ロゲン化ジルコニウ
ムとが良好な混合状態で同時に酸化されるので均一な分
散状態の粒子を得ることができるし、ノ・ロゲン化アル
ミニウムやハロゲン化ジルコニウムの蒸発量等の制御に
より容易に酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの配
合比を調整することができる。
更に、本発明に係る複合セラミック粉体によれば、ジル
コニア分散セラミックスとして酸化ジルコニウムが均一
に細かく分散したものを容易な操作で製造することがで
きる。
実施例1 第1図に示すような工程で次の製造条件により、酸化ア
ルミニウム微粒子中に酸化ジルコニウムが細かく分散し
た複合セラミック粉体を製造した。
製造条件 塩化アルミニウム蒸発器温度      150℃塩化
アルミニウム用キャリアーガス(窒素) 0.4 NM
7Hr塩化ジルコニウム蒸発器温度      290
 ℃塩化ジルコニウム用キャリアーガス(窒素) D、
 I NM3/Hr吹込ノズル保護用ガス(窒素)  
    0.2 NM3/Hrバーナー用水素    
         0.8 NM3/Hrバーナー用酸
素             0.7 NM’/Hr反
応温度(熱損失を考慮)         1250℃
運転時間1時間で1202の粉体生成物が得られた。こ
の粉体の組成はAβ2Q377.5重量% 、Zr0□
225重量係であった。
得られた粉体の透過型電子顕微鏡写真を第2図として示
す。写真に示されるように平均約400′Aの球状の粉
体である。粉体の粒度分布をとってみると?I’y 3
図に示すように1ooX以下のものや2000久以上の
ものはみあ/こらない。なお累積粒度分布の10係〜9
0係の範囲を粒径範囲と呼ぶとするとこの例では24o
人〜7ooiが粒径範囲となる。この粉体を通常のX線
回折法により調べたところ第4図に示すような結果が得
られ、酸化ジルコニウムとしては正方晶ピークのみが検
1」」され、単斜晶のピークは検出されなかった。酸化
アルミニウムの結晶形はこのX線回折では決定が困難で
、非晶質(アモルファス)に近いものであると考えられ
るが、わずかにδ(デルタ)晶では々いかと思われるピ
ークが検出されるので、非晶質又はδ晶であると推定さ
れる。酸化ジルコニウムのピークは幅が広く、粒径が小
さいことを推定させるが、前述の方法のシェラ−(3c
herrer )の式を正方晶(111)のピークにつ
いて適用して計算したところ、酸化ジルコニウムの結晶
子径は62又と求められた。′重子顕微鏡観察によれば
粉体の平均粒径が約4ooXであり、1ooX以下の粒
子は殆んど存在しないので、小さな酸化ジルコニウムの
結晶j″−は平均400人程鹿の酸化アルミニウムの粒
子の中に分散して存在すると考えるべきである。
このように本発明による方法では、球状の数百^の酸化
アルミニウムの粒子中に、数十穴の酸化ジルコニウム粒
子が分散して存在するという粉体を作ることができ、酸
化ジルコニウムを分散させてセラミックスの靭性を向上
させるジルコニア分散セラミックス用の原料粉体として
理想的なものが得られた。この粉体を用いて1550℃
で60分間ホットプレス焼結を行なって焼結体を作り、
曲げ強度を測定したところ、76 Kg 7mm2の測
定値を得た。
実施例2 塩化ジルコニウムの蒸発器の温度を273℃とした他は
実施例1と同様にして複合セラミック粉体を製造した。
得られた粉体中の酸化ジルコニウム含有量は10.8重
量%であった。この粉体を1550℃で30分間ホット
プレス焼結を行なって焼結体を作り、曲げ強度を測定し
たところ、58に9/關2であった。
比較例 塩化ジルコニウムの蒸発器の温度を301℃とした他は
実施例1と同様にして複合セラミック粉体を製造したと
ころ、この粉体中の酸化ジルコニウムの含有量は33.
0重量%であり、X線回折図では酸化ジルコニウムの単
斜晶のピークがわずかに検出された。この粉体を155
’0℃で60分間ホットプレス焼結を行なって焼結体を
作り、曲げ強度を測定した。
また、酸化ジルコニウムを含まない酸化アルミニウムの
みの粉体から同様の焼結方法で焼結体を作り、曲げ強度
を測定した。
これらの測定結果を、前記実施例1.2の強度測定結果
と併せて表1に示す。
表  1 表1から認められるように、酸化ジルコニウム・含有量
が約25重量%程度まで酸化ジルコニウム含有量が増す
につれて強度も増すが、60重量%前後で急に効果がな
くなり、酸化ジルコニウムの単斜晶が形成される366
重量%添加ではむしろ酸化アルミニウム単独の時よりも
強度が低くなっており、正方晶のみの酸化ジルコニウム
を含有する粉体が優れていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る複合セラミック粉体を製造する
工程を示す図である。第2図は、本発明の一実施例であ
る複合セラミック粉体の粒子構造を示す透過型電子顕微
鏡写真であり、第6図は、この粉体の粒度分布を示すグ
ラフであり、第4図は、この粉体のX線回折図である。 1 ・・・反応器 2・・・・ハロゲン化アルミニウムの蒸発器3 ・・・
ハロケン化ジルコニウムの蒸発器4・・・・・・スクラ
バー 5 ・・・・気液分離器 12・・・・・ガス混合器 第3図 鳴tンーやε (2ン 第2図 手続補正書(自発) 昭和58年6月4 日 特許庁長官  若 杉 和 夫 殿 1、 事件の表示 昭和58年特許願第6636号 2、 発明の名称 複合セラミック粉体及びその製造方法 6、 補正をする者 事件との関係   特許出願人 住 所 東京都中央区日本橋堀留町1丁目9番11号名
 称 (110)呉羽化学工業株式会社代表者 高 橋
  博 4、代理人(〒101) 5、補正の対象 明細書の1発明の詳細な説明」の欄及び図面6、 補正
の内容 (1)  明細書中、第6頁第6行目〜第7行目、第6
頁第12行目、第11貞第2行目、第16頁第6行目及
び第16頁第8行目の「成型焼結体」とあるを「成形焼
結体」と訂正する。 (2)明細書中温16頁第6行目の「成型体」とあるを
「成形体」と訂正する。 (6)明細書中第16頁第14行目の「成型焼結」とあ
るを1成形焼結」と訂正する。 (4)第6図を別紙のとおりに訂正する。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸化アルミニウムの微粒子中に結晶形が正方晶の
    みの酸化ジルコニウムが分散してなることを特徴とする
    複合セラミック粉体。
  2. (2)酸化アルミニウムが非晶質又はδ(デルタ)晶で
    ある特許請求の範囲第1項記載の複合セラミック粉体。
  3. (3)酸化ジルコニウムの含有量が10〜25重量%で
    ある特許請求の範囲第1項又は第2項記載の複合セラミ
    ック粉体。
  4. (4)酸化アルミニウムの微粒子の平均粒径が200〜
    1oooXである特許請求の範囲第1項〜第3項のいず
    れかに記載の複合セラミック粉体。
  5. (5)酸化ジルコニウムの結晶子径が、X線回折ノヒー
    クの幅からの計算に基づき、40〜80Xである特許請
    求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載の複合セラミ
    ック粉体。
  6. (6)無機物固体粒子を流動床として充填した第1の蒸
    発器の上部にハロゲン化アルミニウムを供給し、下部よ
    りキャリアーガスを吹き上げて、ガス状のハロゲン化ア
    ルミニウムを含む混合ガスを形成せしめ、無機物固体粒
    子を流動床として充填した第2の蒸発器の上部にハロゲ
    ン化ジルコニウムを供給し、下部よりキャリアーガスを
    吹き上げて、ガス状のハロゲン化ジルコニウムを含む混
    合ガスを形成せしめ、前記2つ混合ガスを更に混合する
    ことによシ、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化ジル
    コニウム及びキャリアーガスから成る混合ガスを形成せ
    しめた後、該混合ガスをバーナー燃焼室に吹き込み、酸
    化雰囲気のバーナーフレームを用いて前記ハロゲン化ア
    ルミニウムと前記ハロゲン化ジルコニウムとを混合状態
    で同時に酸化熱分解することを特徴とする複合セラミッ
    ク粉体の製造方法。
  7. (7)  ハロゲン化アルミニウムが塩化アルミニウム
    でアリ、ハロゲン化ジルコニウムが塩化ジルコニウムで
    ある特許請求の範囲第6項記載の複合セラミンク粉体の
    製造方法。
  8. (8)無機物固体粒子が酸化アルミニウムである特許請
    求の範囲第6項又は第7項記載の複合セラミック粉体の
    製造方法。
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