JPS60350A - セラミツクスの試験方法 - Google Patents

セラミツクスの試験方法

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JPS60350A
JPS60350A JP58107645A JP10764583A JPS60350A JP S60350 A JPS60350 A JP S60350A JP 58107645 A JP58107645 A JP 58107645A JP 10764583 A JP10764583 A JP 10764583A JP S60350 A JPS60350 A JP S60350A
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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】 本発明は正方晶ジルコニアを含有するセラミックスの試
験方法に関する。
正方晶ジルコニアを含有するセラミックスは、耐熱性、
高張・度、高靭性を有すること、あるいは高温でイオン
伝導性を有するために、高温構造材料、切削工具、酸素
センサー等の材料として広く研究されている。
゛ジルコニアは高温では密度の高い正方晶が安定、、 
であり、低温では密度の低い斜方晶が安定である、ため
温度を変化させると大きな体積変化を伴い相変態を起こ
す性質を有する。
ジルコニアを含有するセフミックスを製造する場合、通
常高温で焼成するため、含有する、ジルコニアの結晶相
は正方晶であり、冷却過程で低温で安定な斜方晶に変態
し、この時、体積膨張によってクラックが発生したり、
強度が低下することが知られている。このためジルコニ
アにイツトリア、カルシア、マグネシア等の酸化物を添
加したり、微構造を制御する等の方法によって、高温で
安定な正方晶ジルコニアを低温で準安定相として存在さ
せ斜方晶に変態させずにクラックがなく、強度が高いジ
ルコニアを含有するセラミックスを製造することが行な
われている。このようにして製造されたジルコニアを含
有するセラミックスは短期間の間は正方晶から斜方晶へ
の変態が起こらないとしても長期間の間に徐々に変態が
起こり、クラックを発生したり強度が低下したりする劣
化現象が現われる可能性を有するため、劣化の起こる材
料を選別する必要がある。
しかしながら、従来の試験方法では、材料の劣化の可能
性を予知することは極めて困難であった。
すなわち、従来は要求される使用期間、使用条件下に部
品あるいは材料を曝した後、劣化の有無を試験する方法
を用いなければならなかった。このような耐久試験は多
大なコストと長時間を要するという欠点を有するために
信頼性の高いジルコニアを含有するセラミックスの開発
を困難にし、さらに(g頼性の保証のないまま製品を使
用しなければならないという危険があった。
本発明の目的は、正方晶ジルコニアを含有するセラミッ
クスの信頼性を短時間に把握しうる耐久性試験法を提供
することにある。
以下、本発明の構成を詳細に説明すると、本発明は正方
晶ジルコニアを含むセラミックスを水又は水蒸気雰囲気
中に加熱下で所定時間曝すことを特徴とするセラミック
スの試験方法である。
ここで水又は水蒸気雰囲気中の水含有量は、0.089
/、以上であることが好ましく、2.5り77以上であ
ることがさらに好ましい。セラミックスのジルコニア含
有量は5重量%以上であることが好ましく50重量%以
上であることがさらに好ましい。なおジルコニア含有量
の上限はloo重鼠%である。処理温度は50〜125
0°Cであることが好ましく、150〜500°Cであ
ることがさらに好ましい。
上記のように高温でジルコニアを含有するセラミックス
を焼結した場合、正方晶ジルコニアを含有する焼結体が
得られ、この焼結体を冷却して行くと、正方晶と斜方晶
の熱力学的平衡温度以下で正方晶から斜方晶への変態が
起こり、これに伴って焼結体中にクラックを発生したり
、強度や電気的性質等の特性劣化が起こる。このジルコ
ニアの正方晶から斜方晶への変態の起こり易さおよびこ
れに伴う正方晶ジルコニアを含有するセラミックスの劣
化の起こり易さは種々の要因によって決まるため、実使
用時の劣化の程度は材質および使用条件によって大きく
変化する。正方晶から斜方晶への変態による正方晶ジル
コニアを含有するセラミックスの劣化を支配する主な要
因としてジルコ、ニアに固溶させた添加物の種類と量、
正方晶ジルコニアの結晶粒の大きさと於、保持温度およ
び時間が従来より知られていたが、さらに雰囲気中の水
分の量が極めて重要な因子であることが見出された。本
発明はこの水の劣化に対する効果を発見したことに基づ
くものである。
正方品ジルコニアを含有するセラミックスは雰囲気中の
水の含有量が多い程劣化が速くなる。水が正方晶ジルコ
ニアを含有するセラミックスの劣化を速める機構は水が
斜方晶の表面エネルギーを下げて変態の結晶核の生成を
容易にするためと考えられるが明らかでない。劣化に対
する水の効果は正方晶と斜方晶の相平衡温度以下の正方
晶が準安定相となる温度領域で正方晶ジルコニアを含有
するセラミックスについてのみ認められ、変態を有しな
、いセラミックス例えば定安化ジルフニア、アルミナ等
では水が同様に劣化を加速する現象は認められない。こ
のように水は正方晶ジルコニアの斜方晶への変態に関与
し、特別に正方晶ジルコニアを含有するセラミックスの
劣化を速める効果、を有する。このことから、正方品ジ
ルコニアを有するセラミックスを実使用した場合に長時
間後に劣化する性質を予知するには、実際にその利料が
使用される雰囲気よりも多量の水を含有す多異囲気中で
しかも変態の起こり易い温度に所定の時間曝した後、劣
化程度を測定ずればよい。具体的には、例えば密閉容器
に試料と水を入れ、容器を外部から加熱し所定の温度に
調整し、試料を水蒸気中あるいは水中で所定時間保持す
る。この状態での試料の周囲雰囲気中の水の含有量は保
持温度、保持圧力、添加した水の重量および容器の内容
積から水の平衡状態を考慮し知ることができる。もし、
純粋な水を使用せず、アルコールや水ガラスのような他
成分を添加した場合は、このような状態下での温度と圧
力とを変数とした雰囲気中の水分量を前もって測定して
おくことにより、試験中の雰囲気中の水の含有量を知る
ことができる。また、直接試験雰囲気を採取し、カール
フィッシャー法等の分析法により水含有量を測定しても
よい。
試料を入れる容器は必ずしも密閉容器でなく、開口容器
中に試料を置き、水又は水蒸気に曝してもよい。この場
合は通常の方法にて雰囲気中の湿度を測定して水の含有
量を測定すればよい。試料は部品そのままを用いてもよ
く、または部品より切出して作製してもよい。
水を含む雰囲気に試料を曝した後冷却し、表面のクラッ
クの有無を調べるため目視検査を行う試験方法、赤イン
ク等の染料によりクラ−ツクの有無を検査する染料滲み
試験方法、超音波探イ聾装置やX線d6過深傷装置を用
いてクラックの有力ICを検査する試験方法、熱膨張ヒ
ステリシス測定又はX線回折測定により正方晶の斜方晶
への変態量を測定する試験方法、強度を測定する試験方
法、耐熱衝撃性を測定する試験方法、形状変化を測定す
る試験方法、イオン伝導測定等の電気試験方法により試
料の特性の劣化の程度を知ることができる。
次に本発明の数値範囲の限定理由を述べれば、雰囲気中
の水の含有量が0.08g/、以上と限定したのは50
℃での飽和水蒸気中の水の含有量が約0.08 V、で
あるため、雰囲気中の水分量がO,OS9/、より少な
い場合には、正方品ジルコニアを含有するセラミックス
が通常使用される雰囲気中の水分散と同程度であり、劣
化を加速する効果がないためである。特に雰囲気中の水
分量が2,597゜以上の場合は正方晶ジルコニアを含
有するセラミックスの劣化しにくさの程度を短時間内に
評価することが可能となるからである。ジルコニアが5
重量%以上であるのは、これ以下の場合、ジルコニアを
含有することによる強度や靭性の向上に及ぼす効果が極
めて小さいためである。特に50重量%以上の場合、断
熱性、イオン電導性、耐薬品性等のジルコニア固有の特
性を発現するのにより好ましい。温度が50〜1250
°Cであるのは劣化の起こる温度が通常この範囲である
ためである。
さらに、温度が150〜500°Cの場合、劣化の速度
が最も速くより好ましい。
添付図面は本発明の実施例の材料の強度測定に使用する
オートクレーブ装置の1例を示すもので、1はオートク
レーブ装置、2はそのステンレス製の真空容器、8は熱
電対、4は真空容器中に挿入した試験片、5は真空容器
中に入れム水、6は加熱ヒーター、7はその圧力計を示
す。
次に本発明を実施例により説明する。
実施例 l 市販のジルコニアとイツトリアをそれぞれ91.8重足
%、8.2重量%の量比で計ta t、 、ボットミル
中で50時間混合粉砕後乾燥し、原料粉末を作成した。
この粉末を金型プレスにて60 Lnm X 60 m
m X6市の板状に成型後、10001cp42の静水
圧を加えた。この成型体を電気炉中にて1400”C、
1500”C11600℃にて8時間焼成した。ダイヤ
モンドカッターおよびダイヤモンド砥石を用いてJIS
 R1601”ファインセラミックスの曲げ強さ試験方
法”の規定に従った8 X 4 X 40 mmの強度
測定試料を作成した。また、X線回折測定用試料として
直径20關、厚さ3 mmの円板を作成し、パフ研磨に
よりJIS B 0601に規定するO、S S以下の
表面粗さに表面仕上げを行った。強度測定試料を添付図
に示すオートクレーブ装置に入れ所定の温度にて所定の
時間処理をした。また、電気炉内で空気中、にて所定の
温度、所定のR間、エージング処理を行った。これら処
理前後の目視検査によるクランクの有無、染料滲み試験
による表面の微細クラックの有無および強度測定を行っ
た。強度測定はJIS R1(301に従った4点曲げ
方法にて測定した。
また、各試料の組成を湿式化学分析により正方晶ジルコ
ニアの有無をX線回折測定により測定した。
X線回折測定は、Ou管球)17回折装置を用い、上記
のX線回折測定用円板を試料とし、管電圧50Kv %
管電流80 mA % スキャン速度0.25°7冬の
条件にて測定し、正方晶zro2のピーク(200)。
(002) 、 (004) 、 (220)により正
方晶ジルコニアの有無を判定した。結果を第1表に示す
表中染料滲み試験の結果の記号Aは全く滲みを示さなか
ったことを示し、記号Bはわずかに滲みが認められたこ
とを示し、記号Cは滲みが激しかったことを示す。
この結果より本試験に用いたジルコニア磁器は250°
C前後の温度でのエージングにより劣化が起き、その程
度は焼成温度が高い程顕著であることがわかる。250
°C前後の温度下で、雰囲気中の水含有量が0.05〜
0.02 Q/、以下の通常温度の空気中に曝した場合
、1000時間もの長時間後にはじめて劣化が起きる試
料を水の含有量が多い雰囲気に曝すと極めて短時間に同
等の劣化現象を起こさせることが可能なことがわかる。
実施例 2 正方晶ジルコニアを含有する各種セラミックスを通常の
空気中雰囲気で200°C/hrの昇温、降温速度で1
00°Cと1000°Cの間の温度サイクル試験を行い
、また所定の温度で水含有量の多い雰囲気に所定の時間
曝し、染料滲み試験を行った。
結果を第2表に示す。
第2表には、本発明の特許請求の範囲外のセラミックス
についての試験結果も参考のために示す。
これらの結果から劣化を生じる正方晶ジルコニアを含有
する悪質なセラミックスを短期間多こ検知するのに極め
て有効なことがわかる。また、安定化ジルコニアおよび
アルミナ磁器についての試験結果かられかるように正方
晶ジルコニアを含有しないセラミックスを水を多く含有
する雰囲気に曝しても劣化が起きず本発明に記載する試
験方法が一般の水に対する耐食性試験とは本質的に異な
り・正方晶ジルコニアを含有するセラミックスの劣化試
験法として特別に有効なことがわかる。
本発明を用いれば正方晶ジルコニアを含有するセラミッ
クスを用いた熱応力、熱衝撃応力、繰返し応力、繰返し
熱応力等の機械的、熱的応力を受ける部品であるエンジ
ン用シリンダーライナー、ピストンキャップ、シリンダ
ーヘッド、バルブ、パルプガイド、排気ボート、ロッカ
ーアーム、副燃焼室、タペット、酸素センサーおよび酸
又はアルカリ等の薬品に曝される部品である耐酸ポンプ
等さらにメス、ハサミ、ナイフ等の切断用器等の信頼性
が短時間に把握でき、耐久性が高く、信頼性に優れたジ
ルコニアを用いたセラミックスの開発、製品の品質管理
が短時間に行え、また、製品のが命保証が行える。
【図面の簡単な説明】
図は本発明方法の実施様態を説明するための説明図であ
る。 1・・・オートクレーブ装置、2・・・ステンレス製容
器、3・・・熱電対、4・・・試験片、5・・・水、6
・・・加熱ヒーター、7・・・圧力計。 特許出願人 日本碍子株式会社 手続補正書 昭和58年 7 月20 日 1、事件の表示 昭和58年特許 願第107645号 2、発明の名称 セラミックスの試験方法 3、補正をする者 事件との関係 特許21人 (406)日本碍子株式会社 5゜ 6“補正0対象 、工学ア、。、5わ、。。 、1.明細書第2頁第20行、第8頁第6行、第12行
、@16行、第5頁第10行、第11行、第斜晶」と訂
正する。 手続補正書 昭和59:年 6月121」 1、事件の表示 昭和581年特許 願第107645号2・発明の名称
 シヶンホウホウ セラミックスの試験方法 1明細書第13頁第9行、第14頁第10行、第11行
中[0,05〜0.02 Jを[0,005〜0.02
Jと訂正する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 L 正方晶ジルコニアを含むセラミックスを水又は水蒸
    気雰囲気に加熱下で所定時間曝すことを特徴とするセラ
    ミックスの試験方法。 λ 水又は水蒸気雰囲気の水含有量が0.08g/、g
    以上でiる特許請求の範囲第1項記載のセラミックスの
    試験方法。 & 水又は水蒸気雰囲気の水含有量が2.5 Q/1 
    、。 以上である特許請求の範囲第2項記載のセラミックスの
    試験方法。 森 セラミックスがジルコニアを5重量%以上含むもの
    である特許請求の範囲第1項記載のセラミックスの試験
    方法。 6 セラミックスがジルコニアを50重景%以上含むも
    のである特許請求の範囲第4項記載のセラミックスの試
    験方法。 a 加熱温度を50〜1250°Cとした特許請求の範
    囲第1項記載のセラミックスの試験方法。 I 加熱温度を150〜500℃とした特許請求の範囲
    第1項記載のセラミックスの試験方法。 & セラミックスが熱応力、熱衝撃応力、繰返し応力、
    繰返し熱応力等の機械的、熱的応力を受ける部品である
    特許請求の範囲第1項記載のセラミックスの試験方法。 9 セラミックスが酸又はアルカリの浸食を受ける場所
    で用いられる部品である特許請求の範囲第1項記載のセ
    ラミックスの試験方法。 10、セラミックスが切断用器具である特許請求の範囲
    第1項記載のセラミックスの試験方法。
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