JPS60161375A - 部分安定化ジルコニア焼結体 - Google Patents

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】 この発明は、部分安定化ジルコニア焼結体に関する。

純粋なジル：１二ア焼結体においては、これを加熱スる
と１１００′Ｃｆｌ近においてジルコニアの結晶構造が
単斜晶系から正方晶系に変態し、さらに２４００℃付近
において立方晶系の結晶構造に変態する。冷却過程にお
いては、これとは逆の変態が起こるが、特に正方晶系か
ら単斜晶系の結晶構造に変態する際に大きな体積膨張を
伴い、そのままでは焼結体が破壊してしまうのＣ、ジル
コニアに安定化剤としてイツトリア、マグネシア、カル
シアなどの酸化物を固溶させ、立方晶系の結晶構造をも
つジルコニアからなる焼結体、つまり安定化ジルコニア
焼結体を得ている。しかしながら、立方晶系の結晶構造
をもつジルコニアは熱膨張係数が大きいので、安定化ジ
ルコニア焼結体は耐熱衝撃性が大変低い。

これに対して、立方晶系の結晶構造をもつジルコニアと
単斜晶系の結晶構造をもつジルコニアを共存せしめてな
るジルコニア焼結体、つまり部分安定化ジルコニア焼結
体は、単斜晶系の結晶構造をもつジルコニアの量を変え
ることによって熱膨張係数を制御することができること
から、耐熱衝撃性の高いものが得られるといわれている
。しかしながら、そのような焼結体を、実際に、たとえ
ば溶鋼中に浸漬すると簡単に割れてしまう。つまり、耐
熱衝撃性が高いといっても、極めて急激かつ大きな温度
変化には耐えない。

一方、耐熱衝撃性は、焼結体に多数の気孔を作り、その
気孔によって熱膨張による応力を緩和さゼるようにすれ
ば向上する。しかしながら、そのような、いわゆるポー
ラスな焼結体は気密性が低く、固体電解質酸素センザの
ような、高い気密性を要求される用途には向かない。

この発明の目的は、従来の焼結体の上記欠点を解決し、
極めて急激かつ大きな温度変化に対しても優れた耐熱衝
撃性を示すばかりか、気密性の高い部分安定化ジルコニ
ア焼結体を提供するにある。

上記目的を達成するために、この発明においては、立方
晶系の結晶構造をもつジルコニア（以下、立方晶ジルコ
ニアという）と単斜晶系の結晶構造をもつジルコニア（
以下、単斜晶ジルコニアという）が共存しているジルコ
ニア焼結体であって、その焼結体には７〜１１モル％の
マグネシアが固溶しており、単斜晶ジルコニアは立方晶
ジルコニアの粒内および粒界に存在しており、単斜晶ジ
ルコニアの総量は５５〜８５モル％であり、かつ立方晶
ジルコニアの粒内に存在する単斜晶ジルコニアが単斜晶
ジルコニアの総量の少なくとも７５％を占めていること
を特徴とする部分安定化ジルコニア焼結体が提供される
。

この発明において、焼結体中における立方晶ジルコニア
の存在は、焼結体またはその粉末をＸ線回折し、立方晶
ジルコニア１１１面または４００面のピークを観察でき
るか否かによって確認する。

透過型電子線回折法によってもよい。しかして、この発
明においては、焼結体中における立方晶ジルコニアの量
は特に問題でない。なお、この発明においては、立方晶
ジルコニアと単斜晶ジルコニアの存在を必須とするが、
これらのほかに、正方晶系の結晶構造をもつジルコニア
、つまり正方晶ジルコニアが含まれていてもよいもので
ある。

また、焼結体中のマグネシアの量は、焼結体を元素分析
することによってめたマグネシウムの量を酸化物に換算
してめる。

さらに、単斜晶ジルコニアの約１ｔＭモル％は、焼結体
またはその粉末をＸ線回折し、その回折強度（回折ピー
クの面積）から次式によって算出する。ただし、回折強
度はローレンツ因子による補正後の（１口を使用する。

Ｍ＝（［’１ｍ（１１１）＋１ｍ（１１１）］／Ｎｍ（
１１１）＋１ｍ（１１１） ＋　Ｉｃ（１１１）　コ　）Ｘ１００ ただし、 １ｍ（１１１）：単斜晶ジルコニア（１１〒）の回折強
度 １ｍ（１１１）：単斜晶ジルコニア（１１１）の回折強
度 Ｉｃ（１１１）：立方晶ジルコニア（１１１）の回折強
度 さらにまた、立方晶ジルコニアの粒内に存在する単斜晶
ジルコニアの割合は次のようにしてめる。すなわち、ま
ず焼結体の任意の断面の光学顕微鏡写真をとり、その断
面における任意の１個の立方晶ジルコニアの面積ｓ１と
、その立方晶ジルコニアの粒界に存在する単斜晶ジルコ
ニアの面積Ｓ２をめ、［Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）］Ｘ１０
０を８１算する。他の立方晶ジルコニアに関しても同様
のｈ１算を行う。そして、ががる計剪をいくっがの断面
について行い、その単純平均値Ｍ１をめる。このＭｌな
る値は、立方晶ジルコニアの粒界に存在する単斜晶ジル
コニアの量（体積％）を表わしている。もっとも、上記
値は近似値である。

一方、上述した方法によってめた単斜晶ジルコニアの総
量ＭＥル％を体積％に換算づる。この換算には、単斜晶
ジルコニアの密度ρｍ、分子量Δｍおよび立方晶ジルコ
ニアの密度ρＧ１分子聞ＡＣから得られるα＝ρｍ−Ａ
Ｃ／ρＣ・八ｍなる伯が必要である。この値αは、実験
的にα−０゜９４５であることが確認されている。した
がって、単斜晶ジルコニアの総量Ｍ一体積％は、Ｍ＝＝
Ｍｘ１００／［Ｍ＋０．９４５　（１００−Ｍ’）］　
となる。これらＭｌとＭ−からＭ′−Ｍ１＝Ｍ２をめ、
Ｍ２Ｘ１００／Ｍ−をｈ１算する。

次に、この発明のジルコニア焼結体をその製造方法とと
もに詳細に説明する。

まず、好ましくは平均粒子径１　ｕ以下の微細なジルコ
ニア粉末と、安定化剤たるマグネシア粉末を用意する。

次に、上記２種類の粉末を、好ましくはボールミルを使
用した湿式混合によりよく混合する。このとき、マグネ
シア粉末は混合物全体に対して７〜１１モル％になるよ
うに覆る。

次に、上記混合物を８００〜１２００℃で似焼した後ボ
ールミルで粉砕し、原料粉末を得る。

次に、上記原料粉末に必要に応じて粘結剤、たとえばポ
リビニルアルコールを加えた後、ラバープレス法、射出
成形法、金型成形法、押出成形法などの周知の成形法を
用いて所望の形状に成形し、成形体を得る。

次に、上記成形体を加熱炉に入れ、１６００〜１８００
℃まで徐々に昇温した後その温度に数時間保持して焼成
する。

次に、上記焼成体を３０〜ｂ で約１４００℃程度まで冷却し、さらに３０〜°３００
℃／時の速度で約９００℃程度まで冷却し、ざらに室温
まで炉冷する。すると、この発明の部分安定化ジルコニ
ア焼結体が（ｑられる。上記冷却は、必ずしも一定速度
で行う必要はない。上記範囲内で速度を変えながら冷Ｎ
Ｉ　Ｌ、たり、冷却中途である一定温度に保持してもよ
い。

第１図は、この発明に係る部分安定化ジルコニア焼結体
の結晶構造を示す光学顕微鏡写真（倍率４００倍）であ
り、第２図は結晶構造のモデル図である。

第１図および第２図において、最も大きいのが立方晶ジ
ルコニア１である。その立方晶ジルコニア１の粒内には
、やや黒っぽく見える多数の微細な単斜晶ジルコニア２
が析出している。また、立方晶ジルコニア１の粒界の一
部には、白っぽく見える単斜晶ジルコニア３が析出して
いる。この単斜晶ジルコニア３は、粒内に析出している
単斜晶ジルコニア１Ｊ：りもかなり人きい。黒っぽく見
えるのは、製造時にできた空孔である。

この発明において、焼結体中にお【プる単斜晶ジルコニ
アの量は、主として、固溶させるマグネシアの昂と、焼
成温度と、焼成後の冷却速度に依存しているものと考え
られる。

すなわら、立方晶ジルコニアの粒内に析出りる単斜晶ジ
ルコニアの闇は、固溶させるマグネシアの吊が同じであ
れば約１４００℃から９００’Ｃまでの冷に１速度に大
きく影響され、速度が遅いほど多く析出する。一方、立
方晶ジルコニアの粒界に析出する単斜晶ジルコニアの量
は、焼成温度およびイの温度から約１４００”Ｃまでの
冷却速度に影響され、焼成温度が低いほど、また冷却速
度が遅いほど多くなる傾向にある。また、焼成温度や冷
却速度などの、いわゆる焼結条件が同じであれば、固溶
させるマグネシアの聞が多いほど上記いずれの単斜晶ジ
ルコニアの量も少なくなる。しかして、上述したように
、単斜晶ジルコニアの量は焼結体の熱８服係数を左右し
、その耐納衝曽性り一部１．い影響を与える。高い耐熱
衝撃性は、実施例（後述）にも示づように、単斜晶ジル
コニアの総量が５５〜８５モル％である場合に得られる
。また、単斜晶ジルコニアの総量が８５モル％を越える
と、気密性が著しく低下づる。しかして、５５〜８５モ
ル％の単斜晶ジルコニアは、特定の製造条件下でジルコ
ニアに７〜１１モル％のマグネシアを固溶させることに
よって得ることができる。もっとも、この発明において
は、いわゆる安定化剤として、マグネシアに加えて２モ
ル％以下の範囲でカルシアを併用することができる。２
モル％以下のカルシアは、単斜晶ジルコニアの析出速度
を遅くする作用があり、その析出量の制御が容易になる
。

上述したように、単斜晶ジルコニアは立方晶ジルコニア
の粒内および粒界に析出している。これらの単斜晶ジル
コニアが、焼結体の耐熱衝撃性の向上にどのような役割
を果たしているかは明確でない。しかしながら、立方晶
ジルコニアの粒内に析出した単斜晶ジルコニアは、焼結
体が急激に加熱されたとき、４００〜１００ＯＴ：とい
う川＃０的低温でまず正方品系の結晶構造に変態して収
縮し、熱衝撃を緩和するものと推定される。また、粒界
に析出した単斜晶ジルコニアは、１０５０〜１２００℃
の比較的高温領域で正方晶系の結晶構造に変態し、この
とき焼結体を製造する際の冷却過程で生じたマイクロク
ラックによる緩衝効果を生じ、熱衝撃を緩和しているも
のと推定される。

立方晶ジルコニアの粒内に存在する単斜晶ジルコニアは
、単斜晶ジルコニアの総量の少なくとも７５％を占めて
いる必要がある。すなわち、７５％未満では、単斜晶ジ
ルコニアの総量が少ない領域では、結晶構造の変態によ
る収縮緩和効果が低くて焼結体が割れてしまい、また総
量が高い領域では、微細なりラックが増大して機械的強
度が低下し、それに伴って耐熱衝撃性が低下するばかり
か、気密性も低下する。

上記において、焼結体は、０．２〜２重量％のアルミナ
および／または０．１〜０．５重量％のシリカを含んで
いるのが好ましい。すなわち、アルミナを使用（ると、
単斜晶ジルコニアの量や大きさ、形態などの制御が容易
になる。また、シリカを使用すると、シリカは安定化剤
と反応してケイ酸化合物を生成し、またアルミナとも反
応覆るが、それらの反応が主として立方晶ジルコニアの
粒界′で起こるので、その部分におけるクラックなどの
生成が適度に促進され、焼結体の耐熱衝撃性が一層向上
する。

この発明の部分安定化ジルコニア焼結体は、耐熱衝撃性
が著しく高く、急激かつ大きな温度変化を与えても割れ
る心配かはとｌυどない。また、高温において酸素イオ
ン伝導性を示し、しがも気密性が高い。そのため、いろ
いろな用途に使用Ｊることができる。たとえば、溶鋼中
の酸素濃度を測定するための冶金用酸素センサや、燃焼
機器の燃焼管理用酸素センυの構成材料として好適であ
る。

また、切削工具、ダイス、るつぼ、ノズルなど、産業用
各種機械器具の部品を構成するのに有用である。

次に、この発明の部分安定化ジルコニア焼結体を実施例
に基いてさらに詳細に説明する。

実施例１ 純度が９９．９％であり、かつ平均粒子径が約１μであ
るジルコニア粉末とマグネシア粉末を用い、第１表に示
１′１８種類の焼結体を作った。

すなわち、ジルコニア粉末とマグネシア粉末を第１表に
示１間、かつ組み合せになるように混合した後、これを
約１０００℃で約６時間保持して原料粉末を１９だ。

次に、上記原料粉末に２％ポリビニルアルコール水溶液
を加えてアルミナボールミルで約２４時間混合し、乾燥
した後、ラバープレス法によって外径５．６ｍｍ、内径
３．６ｍｍ、長さ５５ｍｍの、一端が閉じた円筒を成形
した。

次に、上記成形体を加熱炉に入れ、約り００℃／時の速
度で約１７５０’ＣまでＲ瀉した後その温度に約６時間
保持して焼成した。焼成後、第１表に示す速度で約９０
０℃まで冷却し、さらに室温まで冷却して、一端が閉じ
た円筒形の焼結体を得た。この焼結体は、外径約４．５
ｍｍ、内径的３゜Ｑｍｍ、長さ約４６Ｉｌ１ｍであった
。

このようにして１ワた１８種類の焼結体についＣ１自動
Ｘ線回折装置を用いて単斜晶ジルコニアの総量を測定し
た。同時に、いずれの焼結体にも立方晶ジルコニアが含
まれていること確認した。また、断面の光学顕微鏡写真
から、立方晶ジルコニアの粒界に析出した単斜晶ジルコ
ニアの量を読み取り、さらに上述した方法によって立方
晶ジルコニアの粒内に析出した単斜晶ジルコニアの割合
をめた。

また、耐熱衝撃性の試験と気密性の測定を行った。

耐熱衝撃性は、上記各焼結体を１６００℃の溶鋼中に約
１５秒間浸漬した後引き上げ、割れが発生しているか否
かを観察づることにより評価し、割れが全く発生してい
ないものを○、かろうじて目視できる程度の微細な割れ
が発生したものをΔ、大きな割れを発生したものを×と
した。気密性は、次のようにして測定した。すなわち、
水を使用した超音波洗浄によりｊ焼結体をよく洗浄した
後、２５０℃で乾燥した。次に、焼結体の外側を７６Ｑ
ｍｍｌ−１’Ｏに調節したヘリウムガス雰囲気に保持し
、内部を真空ポンプで引いた。減圧度が約Ｑ、１ｍｍ１
−１　（］に達した時点で焼結体を減圧系から切り離し
て間敢端を封止し、以下時間と減圧度の変化を読み取り
、次式によって算出したヘリウムガスのリーク量Ｌ　（
Ｎｃｃ／ｃｍ２・時）を気密性の指標とした。

ｌ　＝　（［（３６００ｘｌ−１ｘＣ）／　（７６０ｘ
Ｔ）］−Ｇ）／Ａ ただし、 Ｔ：時間（秒） ト１：封止直後にｄ３ける焼結体内部の圧力と封ＪＬＴ
秒後における焼結体内部の圧力との差（ｍｍＨ（ｎ Ｃ：焼結体の封止空間の容積（ＣＣ） Ｇ：焼結体の封止空間以外の部分へのヘリウムガスのリ
ーク量（Ｎ　ＣＯ／時） Ａ：ヘリウムガスに接している焼結体の表面積と減圧雰
囲気に接している焼結体の表面積との単純平均面積（ｃ
ｍ２） 試験の結果を第１表に示す。第１表から、この発明の焼
結体、すなわち、試料Ｎ、　３〜７．１１．１３．１４
および１６の焼結体は、耐熱衝撃性、気密性のいずれも
大変高い。また、試料Ｎ、　２の試験結果から、単斜晶
ジルコニアの総量がこの発明の範囲内にあっても、立方
晶ジルコニアの粒内に析出した単斜晶ジルコニアが６５
％と少ないものは耐熱衝撃性が低いことがわかる。さら
に、たとえば試１３１　Ｎ、　１２の試験結果から明ら
かなように、立方晶ジルコニアの粒内に析出した単斜晶
ジルコニアの量がこの発明の範囲内にあっても、単斜晶
ジルコニアの総Ｍがこの発明の範囲にないものは同様に
耐熱衝撃性が著しく低い。

実施例２ 実施例１にお【プる試料Ｎ、３〜５の焼結体を製造する
にあたり、マグネシアに加えて、純度９９゜９％、平均
粒子径的１μのカルシアを０．５モル％併用して第２表
に示す３種類の焼結体を作り、以下実施例１と同様の試
験をした。試験結果を第２表に示す。

第２表から、カルシアを併用すると、実施例１のものに
くらべて単斜晶ジルコニアの析出速度が遅くなっている
ことがわかる。しかしながら、耐熱衝撃性や気密性に悪
影響はでていない。

実施例３ 実施例１および２にお（プる試料Ｎ工２．４．９．１８
および２０の試料を長さ１７ｎｖに切断して円筒状試料
を作り、熱膨張率を測定した。試料の４温速度は８°Ｃ
／時とした。測定結果を第３図に示覆。

第３図から、Ｎ、４．２０の試料、つまりこの発明の焼
結体の熱膨張率は、Ｎユ２．９．１８の試料のものにく
らべていずれも低くなっており、上記実施例１．２にお
ける耐熱衝撃性との相関がよくわかる。寸なわち、実施
例１．２において割れなかったものはいずれも熱膨張率
が低い。

実施例４ 実施例１における試料Ｎ、３．５．７．１３および実施
例２における試料Ｎ、１９．２１の焼結体の内部にクロ
ムと酸化クロムとの混合物を入れ、さらにリード線を引
き出して冶金用固体電解質酸素センサを構成し、これを
約１６５０℃の溶鋼中に入れ、起電力の応答特性を調べ
た。

起電力は、いずれのものも約５秒で飽和した。

３０秒経過後においてもこの値は一定で低下Ｉ！ず、か
つ割れも発生しなかった。これは、この発明の焼結体が
酸素センザ用材わｌとして極めて好適であることを示し
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の部分安定化ジルコニア焼結体の結晶
構造を示す光学顕微鏡写真（倍率４００倍）であり、第
２図は結晶構造のモデル図、第３図はこの発明の要件を
満足している焼結体および満足していない焼結体につい
て測定した温度と熱膨張率の関係を示すグラフである。 １：立方晶ジルコニア ２．３：単斜晶ジルコニア ４：空孔 特許出願人　東し株式会社 第１図 第２図 第３図 一溢膚（τ） 手続補正書（方式） 昧　庁５９・青・９ＥＩ 特許庁長官　若杉　和犬　殿 １、事件の表示 昭和５９年特￥［願第１２５９４号 ２、発明の名称 部分安定化ジルコニア焼結体 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ６、補正の対象 明細書 ７、補正の内容 タイプ印肉（黒色）により鮮明に記載した明細書を提出
する（内容に変更なし）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 立方晶系の結晶構造をもつジルコニアと単斜晶系の結晶
   構造をもつジルコニアが共存しているジルコニア焼結体
   であって、その焼結体には７〜１１モル％のマグネシア
   が固溶しており、単斜晶系の結晶ｔＩＶＪ造をもつジル
   コニアは立方晶系の結晶構造をもつジルコニアの粒内お
   Ｊ：び粒界に存在してｔ１５す、単斜晶系の結晶構造を
   もつジルコニアの総量は５５〜８５モル％であり、かつ
   立方晶系の結晶構造をもつジルコニアの粒内に存在する
   単斜晶系の結晶構造をもつジルコニアが単斜晶系の結晶
   構造をもつジルコニアの総量の少なくとも７５％を占め
   ていることを特徴どする部分安定化ジルコニア焼結体。