JPS6086073A - 高強度ジルコニア系焼結体およびその製造方法 - Google Patents

高強度ジルコニア系焼結体およびその製造方法

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JPS6086073A
JPS6086073A JP58192470A JP19247083A JPS6086073A JP S6086073 A JPS6086073 A JP S6086073A JP 58192470 A JP58192470 A JP 58192470A JP 19247083 A JP19247083 A JP 19247083A JP S6086073 A JPS6086073 A JP S6086073A
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JP
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zirconia
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alumina
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孝次 津久間
邦義 植田
月舘 隆明
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Toyo Soda Manufacturing Co Ltd
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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、ジルコニア−アルミナ(zro4 A40m
)またはジルコニア−スピネル(Zr0t MgA40
Jから成る高強度ジルコニア系焼結体に関する。
近年、安定化剤としてY2O,を少量添加した正方晶を
含有するジルコニア焼結体(以下、Y −PBZと略記
する)が、高強度、高靭性を発現することから、この焼
結体を切断工具、ダイス、ノズル。
ベアリングなどの機械構造材料として利用しようとする
開発が活発化している。本発明からなる焼結体は、この
ような機械構造材料としての用途の拡大、並びに使用に
対する一段と高い信頼性と耐久性を約束すべき著しく優
れた強度特性を具備したものである。
Y−PBZは、すでに高強度焼結体として、よく知られ
ておシ、その高強度の原因は焼結体中に含まれている正
方晶ジルコニアが応力によって、単斜晶にマルテンサイ
ト型転移をすることに起因しているとされている。本発
明者等は、このY−FSZの強度を詳細に調べた結果、
強度は正方晶ジルコニアの量と比例関係にあるのではな
く、正方晶の他に立方晶が少量台まれている場合に最高
値に達するという結果を得た。
この結果から推論して、立方晶ジルコニアの代わりに弾
性率9強度の大きいアルミナ(Azoa)又はスピネル
(MgA404)を添加することKよって、さらに高強
度化が達成されるとする仮説をもつに至った。Y −P
 S Z −AI!4o3系焼結体についてはすでに文
献(、T、 Mat、Sci、 17.247−254
(1982))等で報告されているが、そこで報告され
ているホットプレス焼結体の曲げ強度値は1200 M
Paにも到達しておらず、ホットプレスY−PSZO値
(1500−1700MPa)と比較しても低く、上述
の仮説に反するものであった。しかしながら焼結体の強
度は、出発原料並びにその製造方法に大きく依存する。
そこで本発明者等は、ジルコニア−アルミナ系tたはジ
ルコニア−スピネル系について、優れた機械的強度特性
を有する焼結体を得るべく検討し。
た結果、イツトリアを少量添加した正方晶を含むジルコ
ニアにアルミナまたはスピネルを特定割合配合すること
によシ、また熱間静水圧プレス処理を行うことにより、
Y−PSZよりさらに著しく強度特性の向上した焼結体
が得られることを見い出し本発明を完成させるに至った
すなわち、本発明は、1.5〜5モルチのイツトリア(
YtOs)を含有するジルコニア(ZrO7)50〜9
8重量係と、アルミナ(A403)またはスピネル(M
gAt2o4)50〜2重量係とから成り、かつ3点曲
げ強度が1700 MPa以上の高強度ジルコニア系焼
結体および1.5〜5モルチのイツトリア(Yzos)
を含有するジルコニア(zro、)s o〜98重量%
と、アルミナ(At20.)またはスピネル(MgA4
04)s ’。
〜2重量%とから成る1200〜1500℃で予備焼結
した予備焼結体、iたは、カプセル中に真空封入した該
組成の粉末成形体を圧力50〜500MPa、温度13
00〜1650℃で熱間静水圧プレス処理することによ
り該ジルコニア系焼結体を製造する方法を提供するもの
である。
以下本発明をさらに詳細に説明する。
本発明における焼結体は、1.5〜5モル−〇Y2O3
を含有するジルコニア50〜98重量%とアルミナまた
はスピネル50〜2重量%から成るものである。ジルコ
ニア中のY2O,含量は、1.5モル係以下では、正方
晶からなる焼結体が得られず、また5モル係以上では、
正方晶が減少し、立方晶が主体となるため、転移による
高強度化が得られず、不適当である。ジルコニアへのア
ルミナまたはスピネルの添加量が2重量%以下の場合に
は、添加による強度上昇効果が得難く、また、50M量
−以上になると正方晶ジルコニアに起因する強化機構が
減少し、期待したほどの強度が得られない。
添加されるアルミナまたはスピネルは片方ずつでも、両
方でも伺らさしつかえない。
焼結体の6点曲は強度は、1700 MPa以上である
ことが必要である。なぜなら、平均曲げ強度値が170
0 MPaを越える焼結体は、これまで公表されておら
ず、著しく高強度であると見なし得るからである。ここ
で規定した6点曲げ強度値とは、J工EIR1601−
1981に基づき幅4隅。
厚さ3+am、長さ40關の試験体をスパン長さ30酩
、クロスヘッドスピード0.5 +m/minの条件で
曲げ破壊したとき得られる強度の10体以上の平均値を
意味する。
該ジルコニア系焼結体の製造方法は、熱間静水圧プレス
(以下H工Pと略記する)することを特徴としている。
H工P処理の方法としては粉末成形体をガラス、金属な
どのカプセル中に真空封入したのち、プレス焼成する方
法とあらかじめ粉末成形体を常圧で予備焼結した後、プ
レス装置によって再焼結する方法の2通シが知られてい
る。本発明からなる焼結体は、どちらの方法によっても
作成することが可能であるが、後者の方法を用いた方が
、カプセル封入の操作が不要であシ、生産性に於いても
有利である。該HIP処理の条件は、圧力50〜500
 MPa、温度1300〜1650°Cとしなければな
らない。
以下、この製造方法についてさらに詳細に説明する。
H工Pに供する予備焼成体は、90チ以上の相対密度を
有し、開気孔を含まないものでなければならない。また
、アルミナ又はスピネルの比率が20重量%以下の場合
には、予備焼成温度を1400℃以下に、比率が20重
量%以上の場合には1500°C以下に設定することが
望ましい。
この理由は、1400°Cあるいは1500°Cより高
い焼成温度で得られた焼結体は、成長した大きな閉気孔
を含むようになり、HIP処理による気孔除去が充分果
せないからである。従って、1500°C以下の可能な
限シ低い焼成温度で開気孔のない緻密な予備焼結体を得
ることが、この製造方法を実施する上で、重要な前提と
なる。このような予備焼成体を得るには、出発物質とし
て、焼結性に優れた微粉末を用いることが好ましい方法
である。ジルコニア原料として一次粒子径200〜40
0Aの湿式法によって得られた微粉末を、またアルミナ
、スピネル原料としては、湿式法或いは共沈法によって
得られた高純度粉末を用いることが望ましい。或いは、
ジルコニウムとアルミニウムを含む水溶液から共沈法に
よって合成した微粉末を用いることも望ましい方法と考
えられる。
また、ガラス、金属などのカプセル中にジルコニアとア
ルミナまたはスピネルの微粉末を真空封入した後、H工
P処理することも可能である。
HIP処理の温度、圧力条件については、圧力5.0 
MPa以下、温度1300°C以下の条件では期待され
る高強度焼結体は、得難い。また、温度1650℃以上
では、強度を得ることは可能であるが、焼結体粒径が1
μm以上に成長することに起因して、200〜300°
Cに長時間保持した場合に焼結体に亀裂が入るような熱
的に不安定な焼結体となる。従って、実際に、工業的に
利用する材料としては、適さない。
本発明からなる焼結体のなかで、特に、Y、03を2〜
3モルモル有したジルコニア妊アルミナを10〜60重
量%添加したHIP処理ジルコニア系焼結体は、200
0〜2500MPaに達する極めて高い平均的は強度を
与える。この値は、HIP処理を施さない焼結体へ約2
倍に相描する。
このような驚異的な強度上昇は、アルミナ、窒化ケイ素
、炭化ケイ素などの他の材料では1つたく見い出すこと
ができない。すなわち、本発明は、このようなH工P処
理の特異な効力と、アルミナ寸たはスピネルの添加効果
を見い出すととによって、成し遂けられたものである。
本発明のジルコニア系焼結体は、従来品より以上に高強
度であることから、従来の切断工具、ダイス、ノズル、
ベアリングなどの機械構造材料は当然の事、これらの中
でも特に強度と耐久性を要求される分野にさらに有効に
使用できるものである。
次に本発明の焼結体を実施例に基づいて、詳細に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1 共沈法によって得られたY2O3を1.5〜5モルモル
む一次粒子径が230Aのy−psz粉末と、平均粒子
径が0.4μmの高純度(q q、 99 % )A4
03粉末、捷たは、α1 pmの高純度MgA40+粉
末を、所望の組成となるようにエタノール中で24時時
間式混合した後、乾燥行程を経て原料粉末を調製した。
次いで、上記原料粉末をラノ(−プレス法によって、厚
さ9幅、長さがそれぞれ4tnm。
40ynm、56mmである板状成形体とし、この成形
体を1200〜1500°Cの温度で2時間(予備)焼
結し、HIP処理用予備焼結体とした。この予備焼結体
を1300〜1600°C950〜200MPaの条件
下でα5時間、Arガス中でH工P処理して本発明のジ
ルコニア系焼結体を得た。このようにして作成した29
組の焼結体について焼結体密度9曲げ強度の測定を行っ
た。これらの結果を表1に示す。表1′には比較のため
に、y−psz単身の予備焼結体にHIP処理した焼結
体及び、Y −P S Z −At2o、系でHIP処
理を行わない焼鞘体についての結果も記した。
実施例2 実施例1で用いたy−pszとA403の混合粉末をラ
バープレス法によって圧力5 ton7t、@で角棒状
成形体(4×4×56ffIII+)とした後、Mo金
属薄膜によって包み、パイレックスがラスチューブに入
れ、真空封入した。これらガラスカプセル中に入れた成
形体をホットアイソスタティック装置に入れ、Ar雰囲
気中で800°C迄加熱した後、加圧を開始し、150
0℃、100MPa、 0.5時間の条件で処理した。
得られた焼結体をダイヤモンドホイールで研削し、前述
の方法に従って、曲は強度測定を行った。
表2

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (111,5〜5モルチのイツトリアCytox)を含
    有するジルコニアCzro、) s o〜98重量%と
    アルミナ(A40g)またはスピネル(MgA404)
    50〜2重量%とから成シ、かつ3点曲げ強度が170
    0 MPa以上であることを特徴とするジルコニア系焼
    結体。 (2)1.5〜5モルチのイツトリア(YtOs)を含
    有するジルコニア(ZrO,) 50〜98重量%とア
    ルミナ(azos)またはスピネル(MgA40.) 
    s 。 〜2重量%とから成る1200〜1500°Cで予備焼
    結した予備焼結体、またはカプセル中に真空封入した該
    組成の粉末成形体を圧力50〜500 MPa、温度1
    300〜1650°Cで熱間静水圧プレス処理すること
    を特徴とするジルコニア系焼結体の製造方法。
JP58192470A 1983-10-17 1983-10-17 高強度ジルコニア系焼結体およびその製造方法 Granted JPS6086073A (ja)

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