JPS6335448A - イツトリアを含有したジルコニア焼結体 - Google Patents

イツトリアを含有したジルコニア焼結体

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JPS6335448A
JPS6335448A JP61175681A JP17568186A JPS6335448A JP S6335448 A JPS6335448 A JP S6335448A JP 61175681 A JP61175681 A JP 61175681A JP 17568186 A JP17568186 A JP 17568186A JP S6335448 A JPS6335448 A JP S6335448A
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JP
Japan
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sintered body
cubic
mol
crystal
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JP61175681A
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English (en)
Inventor
昌章 杉山
豊彦 佐藤
紘 久保
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

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】 (産業上の利用分野) 本発明は新規な組織を有する靭性、硬度に優れたY2O
3を含有したジルコニア焼結体に関する。
(従来の技術) セラミックスはイオン結合あるいは共有結合をしている
ものが多く、そのために転位の増殖や運動が起きにくく
、一般には脆性を示す。しかしながら部分安定化ジルコ
ニア(以下pszと略記する)に知られるように、破壊
時に問題となるクラック先端での応力を分散あるいは吸
収させることにより、材料の靭性を上げることが可能で
ある。その一つの方法として、マルテンサイト変態を利
用した高靭性化(以下、トランスフォーメション・タフ
ニングの頭文字をとって、T、T、と略記する)がある
PSZは、Zr0zにYz03. Cab、 MgO等
を加えたちのが良く知られているが、T、T、を発現す
るために従来採られている手法は、次のようなものであ
る。
一つは、ZrO2の立方晶粒と正方晶粒の混合相を持つ
組織を作成し、そのうちの正方晶粒をマルテンサイト変
態させることにより、高靭性化を計るものである。他の
一つは、ZrO,の立方晶中に古典的な核生成、成長機
構に基づく正方品構造の析出物を、結晶粒内および粒界
に生成させ、その正方晶領域が単斜晶へとマルテンサイ
ト変態することを利用して高靭性化を計るものである。
これらの手法を利用して、高靭性なジルコニア焼結体を
作成し、工具等に応用しようとする試みは多く、特開昭
58−9784号公報の他、幾つかの特許出願が行われ
ている。しかしながら、これらの従来の手法は高靭性化
を計るため、例えば前者の場合には結晶粒サイズを制御
する必要があり、そのため小さな粉体から出発し、かつ
焼結体の結晶粒が成長しないように、焼結あるいは熱処
理をする必要がある。
後者の析出物を生成させる方法でも、例えば特開昭60
−191056号公報に記載されているように結晶粒サ
イズを制御する必要がある。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明は従来の熱処理による場合のように、結晶粒サイ
ズを厳密に制御する事を必要とせずに、相分離組織を利
用して、ジルコニア焼結体の硬度、および靭性を向上さ
せようとするものである。ここで強調されることは、本
発明のイツトリアを含有したジルコニア焼結体における
三相分sumは二相とも立方晶であり、従来の立方晶と
正方品の分解組織とは異なるという点である。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、Y2O,を2〜10 mol%含み残部が実
質的にZr0tから成るZrO□系セラミック焼結体で
あって、二相分離組織が立方晶(以下C相と呼ぶ)と、
酸素原子の変位あるいは空孔の規則配列の生じた立方晶
(以下C゛相と呼ぶ)であるセラミックスを作成し、高
硬度、および高靭性を得ようとするものである、さらに
、Y2O3が2〜l Q mol%の他に、0.5〜I
 Q mol%の範囲のA N 2O3 と0.5〜3
 mol%の範囲のTi0zの少なくとも一種以上を含
むものも対象とする材料に含まれる。一方、上記記載の
二相分離組織は、幅5〜100nn+のフィード組礒あ
るいはそれが成長したバンドMi織もしくは島状組織を
呈する。
ここで、立方晶(C相)とは平衡状態図上で安定な螢石
型構造の立方晶相を意味し、酸素原子の変位あるいは空
孔の規則配列の生じた立方晶(C相)とは、螢石型構造
の単位胞内の酸素原子が周期的に変位している場合か、
酸素空孔が規則的に配列している場合か、両者の複合状
態にある立方晶相を意味する。フィード組織あるいはバ
ンド組織もしくは島状組織とは、時効時間の変化に伴い
結晶粒内に観察され゛る二相分離組織の様子を記述した
ものである。その際、結晶構造は何れの段階においても
立方晶相であることが特徴である。
本発明のZr0z系セラミツクスの成分としては、Y2
O3の含有量が2 mol%よりも少ない組成か、ある
いは10mol%より多い組成領域では、前述の二相分
離組織が得られないので、Y2O3の含有量を2〜10
mol%と限定した。また硬度、および靭性を向上させ
る目的で添加したAAzO:+およびTiO□の含有量
も上記の三相分i?!組織が得られる範囲に限定した。
この他には不純物としてSiO□。
Fe2O31 TiO□などを僅かに含んでいる。
本発明の三相分M!1iII織のセラミックスは次のよ
うにして製造することが出来る。状態図より分かるよう
に、Y2O3を2〜10mol%含むZrO2系セラミ
ックスは1800℃以上の高温で立方晶が安定である。
この立方晶の存在温度範囲よりも低温で、1300℃か
ら1500℃の通常の焼結温度範囲で焼結した材料を数
分から数時間の時効を行うことにより、本発明の相分離
組織を得る。この温度領域で長時間、例えば−週間時効
すれば、状態図に表れれている立方晶と正方晶の混合相
となる。この際、一度、材料を立方晶の単−相温度領域
での熱処理を経験させた後、時効することも可能である
。これらの方法により、結晶粒内に立方晶(C相)と酸
素原子の変位の生じた立方晶(C’相)から成る二相を
フィード状に生成させることが出来る。上記のフィード
組織はこの時効温度ではゆっくりと成長するため、この
ままでは冷却してもマルテンサイト変態を起こさない。
具体的な時効温度と時間は材料組成により異なり、例え
ばY2O3を2〜411Io1%含む場合は1600℃
以上で数分が、y、o3を4〜10 mol%含む場合
1500℃以上が適当である。
また上記のフィード組織を示す二相分離状態でさらに時
効時間をふやすと、フィード組織はバンド組織もしくは
島状組織となり、時効時間の変化に伴い結晶粒内に観察
される二相分離Mi織の様子は変化する。但し、何れの
段階でも材料は立方晶である。
一方、時効温度と時間の調整により、C′相から新しい
マルテンサイト相である正方晶を生じさせることが出来
る。例えばZrO□−6mol%Y2O3の場合は、1
500°Cで時効するとC′相が急激に成長し、冷却中
にバンド状の正方晶(以下t′相と呼ぶ)が出現する。
この正方晶の軸比(c/a)は約 1.006で、ps
zの強靭化に利用されている従来の単斜晶に変態する軸
比(c/a)が約1.016である正方晶とは異なる。
このt′相を利用した組織制御も可能である。
(実施例) 実施例1 アルコキシド法により製造した5、8 m01%のY2
O,を含むZr0z粉体を300 kg/c[IIの圧
力をかけて一次成形した後、冷間静水圧プレス装置(C
IP)により1.5 ton/a+Iの圧力をかけて成
形体を得る。
前記成形体を1400℃で2時間、空気中で焼結するこ
とにより、平均結晶粒度が0.6μm、密度が99%の
焼結体を得た後さらに1700℃で上記焼結体を時効す
ることにより、二相分離組織を有するZrO□系焼結体
を得た。このZrO2系焼結体は、X線回折像からは立
方晶構造から予想される回折ピークだけが観察され、格
子定数が00−513nの立方晶と同定された。一方、
透過電子顕微鏡観察の結果からは、第1図(a)に示す
ようにフィード組織が観察された。またこのフィード組
織領域から撮った電子線回折図形を第1図(blに示す
。これらの詳しい解析をした結果、フィードU織は螢石
型構造を持つ立方対称の相(C相)と、同じ格子定数を
持つが単位胞内で酸素原子が正規の位置からC軸方向に
僅かにずれている立方晶(C’相)との二相からなって
いることが明らかとなった。上記のフィード組織はこの
時効温度ではゆっくりと成長するため、このままでは冷
却してもマルテンサイト変態を起こさない。一方、15
00℃で時効した場合はC′相が急激に成長し、冷却中
にバンド状の正方晶(t’相)がマルテンサイト変態に
より出現する。
また、1600℃で2O時間以上の時効の結果性じたバ
ンド状もしくは島状の組織の一例を第2図に示す。この
組織は透過電子顕微鏡観察の際に、特別な観察条件(暗
視野法)において見出されたもので、同時にとったX線
回折像から立方晶と同定された。
上記の方法で作成した二相分離組織を有するZr0z−
YzOiセラミックスのビッカース硬度および三点曲げ
試験結果から求められる破壊靭性値KICを測定し、既
存の材料と比較した。比較材はY2O3を3.5mol
%と5.0mol%含むZr0z−Yz03系セラミッ
クスで、1550℃で2時間の条件で焼結したもので、
立方晶と正方晶の混合組織であった。ビ・2力−ス硬度
は1290と1330、またその時の破壊靭性値、KI
Cはそれぞれ6.9 MN/m””と4.3 MN/m
””であった。これに対して、本発明による5、8mo
l%含むZr0z−Yz03系セラミックスを1400
℃で2時間の条件で焼結した後、1700℃で2時間時
効して二相分離組織を作成した場合、ビッカース硬度で
1443、またその時の破壊靭性値、KICが7.1M
N/m””という結果を得た。粒径制御の必要性の低い
ことを考慮すると、本発明による二相分離組織の利用性
は高い。
実施例2 アルコキシド法により製造した5、8mol%のY2O
3を含むZrOz粉体と1.0mol%のAl2O3と
0.5mol%のTi0zとを混合し、300kg/c
utの圧力をかけて一次成形した後、冷間静水圧プレス
装置(CIP)により1.5 ton/cfflの圧力
をかけて成形体を得る。前記成形体を1400℃で2時
間、空気中で焼結することにより、平均結晶粒度が0.
6μm、密度が99%の焼結体を得た後さらに1700
℃で上記焼結体を時効することにより、Zr0z系焼結
体を得た。このZrO2系焼結体でも同様な二相分離M
i織が透過電子顕微鏡で観察された。これらの詳しい解
析をした結果、フィード組礒は螢石型構造を持つ立方対
称の相(C相)と、同じ格子定数を持つが単位胞内で酸
素原子が正規の位置からC軸方向に僅かにずれている立
方晶(C相)との二相からなっていることが明らかとな
った。
上記の方法で作成した三相分a′iJimを有するZr
O□系セラミンクスのピンカース硬度および三点曲げ試
験結果から求められる破壊靭性値KICを測定した。結
果は、ピンカース硬度で1400.またその時の破壊靭
性値KICが6.9 MN/m””でありZr0z−Y
2O2系と同程度の結果を得た。
(発明の効果) 本発明による二相分離組織を利用したイアドリアを含有
したジルコニア焼結体を用いることにより、従来psz
を利用した強靭化の時に必要とされていたジルコニア結
晶粒サイズの制御に対する制約が削減され、また短時間
の時効時間で容易に高強度、高靭性材料を得ることが出
来る。
【図面の簡単な説明】
第1図ta+は、焼結後1700℃で2時間の時効を施
すことにより得た二相分離組織を有するZrO□−5,
8no1%Y2O.焼結体の金属組織を示す透過電子顕
微鏡写真(結晶粒内全体に、写真に見られるようにフィ
ード組織が観察される)、第1図(blは第1図(al
のフィード組織の結晶構造の電子線回折像の写真、第2
図は同一組成の材料を焼結後、1600℃で2O時間の
時効を施すことによりフィード組織を成長させた時の金
属組織の透過電子顕微鏡写真である。 特許出願人 新日本製鐵株式會社 第1図 (α ) 第2図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)Y_2O_3が2〜10mol%、実質的に残部
    ZrO_2から成る焼結体であって、二相に相分離した
    組織を有し、二相分離組織が立方晶(C相)と酸素原子
    の変位、あるいは空孔の規則配列の生じた立方晶(C′
    相)であるイットリアを含有したジルコニア焼結体。
  2. (2)Y_2O_3が2〜10mol%、および0.5
    〜10mol%の範囲のAl_2O_3と0.5〜3m
    ol%の範囲のTiO_2の少なくとも一種を含有し、
    実質的に残部がZrO_2から成る焼結体であって、二
    相に相分離した組織を有し、二相分離組織が立方晶(C
    相)と酸素原子の変位、あるいは空孔の規則配列の生じ
    た立方晶(C′相)であるイットリアを含有したジルコ
    ニア焼結体。
  3. (3)二相分離組織が幅5〜100nmのフィード組織
    あるいはそれが成長したバンド組織もしくは島状組織で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項または
    第(2)項記載のイットリアを含有したジルコニア焼結
    体。
JP61175681A 1986-07-28 1986-07-28 イツトリアを含有したジルコニア焼結体 Pending JPS6335448A (ja)

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JP (1) JPS6335448A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014218421A (ja) * 2013-04-10 2014-11-20 東ソー株式会社 ジルコニア焼結体及びその製造方法
JP2015196624A (ja) * 2014-04-01 2015-11-09 東ソー株式会社 ジルコニア焼結体及びその製造法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014218421A (ja) * 2013-04-10 2014-11-20 東ソー株式会社 ジルコニア焼結体及びその製造方法
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