JPH01164759A - アルミナ質焼結体及びその製造方法 - Google Patents

アルミナ質焼結体及びその製造方法

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JPH01164759A
JPH01164759A JP62324749A JP32474987A JPH01164759A JP H01164759 A JPH01164759 A JP H01164759A JP 62324749 A JP62324749 A JP 62324749A JP 32474987 A JP32474987 A JP 32474987A JP H01164759 A JPH01164759 A JP H01164759A
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JP
Japan
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particles
sintered body
powder
stress
al2o3
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JP62324749A
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Katsura Hayashi
桂 林
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Kyocera Corp
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアルミナを主成分としてジルコニアを含有する
焼結体とその製造方法に関し、特に切削工具、高温用材
料一般産業機械用材料或いは生体材料として有用な焼結
体の改良に関する。
〔従来技術〕
セラミ・7りから成る工具は、高度、耐摩耗性、耐熱性
に優れる等の長所を有する反面、チッピングや欠損を生
し易いという問題を有し、その用途も仕上げ加工等に限
られていた。
しかし、近年高強度セラミックスの出現により、中〜重
切削を行う事が増えつつある。このような高強度セラミ
ックスとしては、窒化珪素やジルコニアが代表的である
が、窒化珪素は耐摩耗性が悪く、ジルコニアは200〜
300℃で急激な強度低下を示し、熱的に不安定である
ことからいずれも切削加工の一部の分野にしか用いられ
ない。
一方、アルミナ(^1203)は金属との反応性が低く
耐摩耗性に優れることから、切削工具として有用な材料
として注目されているが破壊靭性(K + c)が低い
という問題があった。
そこで、八1゜03中にZrO2を分散含有させること
により、Al2O3の破壊靭性を改善する事が行われて
いる。この破壊靭性の改善法については従来より2つの
タイプが提案されている。1つは、Aha3質焼結体中
に単斜晶ZrO□を分散させたもので、ZrO□の相転
移によりマイクロクランクを発生させるものである。他
の1つはAl2O,質焼結体中に正方晶ZrO2を分散
させることによりクラック先端のエネルギーをZrO□
の相転移で吸収させるものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記のAh03−ZrOz系焼結体によれば、焼結体の
破壊靭性や抗折強度がZrO□の粒子径と深い関連があ
ることか知られている。即ち、分散されるZrO□の粒
径が1μm以下では前述の靭性改善効果が弱まる傾向に
ある。これはAl2O3粒子によりZrO□粒子の体積
膨張が阻止され、正方晶から単斜晶への相転移が起こり
難くなるためである。一方、抗折強度の観点からはZr
O2は微粒で存在することが望まれ、2〜3μmの大き
なZrO□粒子が存在すると、これが破壊源となるため
である。
このように従来のへ1□03−ZrO2系焼結体では、
破壊靭性と抗折強度が相反する関係にあることから、破
壊靭性、抗折強度共に優れた焼結体を得ることができな
いという欠点を有していた。
〔発明の目的〕
本発明は上述のへ1□0.−Zr02系焼結体の欠点を
解消し、破壊靭性、抗折強度の双方に優れたアルミナ質
焼結体及びその製造方法を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するだめの手段〕
本発明者は上記問題点に対し、研究を重ねた結果、へ1
□03粒子とZrO2粒子とからなる多結晶組織中にお
いて、各粒子間に応力をもたせることによってAl2O
,粒子やZrO□粒子が微粒で存在していても抗折強度
、破壊靭性を顕著に向上させることができることを知見
した。
即ち、本発明のアルミナ質焼結体は平均粒径0.5μm
以下のジルコニア粒子が1乃至30重量%と、残部が実
質的に平均粒径1.3μm以下のアルミナ粒子から成る
アルミナ質焼結体の多結晶組織中に粒子間相互応力が存
在することを特徴とするものである。
さらに、本発明のアルミナ質焼結体の製造方法は(a)
少なくともBET比表面積5m2/g以上のアルミナ粉
末を乾式粉砕して活性化処理する工程と、(b) (a
)工程後のアルミナ粉末にI乃至30重量%の割合で1
3ET比表面積5m2/g以上のジルコニア粉末を加え
混合する工程と、(c)前記混合粉末を成形する工程と
、(d)前記成形体を1300〜1500℃の温度で焼
成する工程と、(e)焼成後3乃至100℃/minの
冷却速度で冷却する工程とを具備することを特徴とする
ものである。
以下、本発明を更に詳述する。
本発明のアルミナ質焼結体における特徴は1つにはZr
O2を平均粒径0.5μm以下で1乃至30重量%、特
に15乃至20重量%の割合で、平均粒径1.3μm以
下のAl2O3中に分散させる点にあり、平均粒子径が
各数4ti範囲より大きいと抗折強度が低下し、ZrO
2の量が1重量%を下回ると靭性の改善効果が少なく、
30重量%を超えると焼結体中のZrO□結晶相のうち
単斜晶(m−ZrO□)の量が多くなり、エネルギー吸
収に関与するZrO□が実質的に減少し、破壊靭性が低
下する。更に、大きな特徴は上記の構成から成る多結晶
組織中において粒子間に相互応力が存在している点にあ
る。この粒子間の相互応力は組織中のZrO2粒子を正
方晶Zr0z或いは立方晶ZrO2として存在させるた
めに大きく寄与するもので、へ1□03粒子がZrO□
粒子を締め付け、ZrO□の転移を阻止することにより
、正方晶ZrO□或いは立方晶ZrO□として焼結体中
に安定に存在させることができる。
また、このような相互応力は破壊が進む過程で−〇− クランクの枝分かれを促進し、破壊エネルギーを分散す
る効果を生む。よって、この相互応力が小さければこの
効果は少なく、相互応力が過大であると相互応力によっ
て内部破壊が起こり、焼結体の強度が低下する。従って
、適度な相互応力を有する事が必要である。この相互応
力の強弱は、焼結体に対し、1200〜1600℃の熱
処理を施すことによって明らかとなる。即ち、1200
〜1600℃の熱処理によりアルミナ粒子が軟化すると
ZrO□が転移と同時にと共に堆積膨張を生し、これに
よりAl2O3粒子に変形が生じる。特に、ポリッシン
グした焼結体の表面のΔ1□03粒子にその変形が明確
に観察でき、例えば第1図の顕微鏡写真に示すように波
状模様が発生する。このAh03粒子の変形は焼結体中
のA1□03粒子の一部或いは全部に見られる。
相互応力が過少であるとこの変形は表われず、過大であ
ると変形前にアルミナ粒子が破壊され、変形は観察でき
ない。
このようにAl2O:1粒子とZroz粒子等、粒子間
に相互応力が存在することによって外部からの破壊に対
する抵抗が増大し、結果として抗折強度、破壊靭性を顕
著に向上させることができる。
このようなアルミナ質焼結体の製造に際しては、およそ
BET比表面積5m2/g以上の八]□Oi+Zr0z
の各微粉末をZrO□ 1乃至30重量%の割合で混合
する(b工程)前に、まず、混合するAhCh粉末に対
して乾式粉砕(a工程)を行う。乾式粉砕は振動ミル、
アトリソジョンミル等の手段によって、30分以上行う
ことにより、AlzO3粉末に外的応力を加え、これに
よりAhOz粉末に内部応力を付与する。このa工程に
て得られたA1□03粉末を用いて前述したb工程にて
ZrO□と混合する。この時の混合は例えばボールミル
等により湿式混合すれば良い。
次に、b工程で得た混合粉末を通常の成形手段で成形C
後、焼成する。焼成は、Al2O:l粉末のa工程での
処理により焼成温度が低く設定できることから1300
〜1500℃の温度で焼成する(d工程)。
焼成方法としては大気中での常圧焼成、ホントプレス焼
成、熱間静水圧焼成等を採用できるが、高密度の焼結体
を得るため、まず1400〜1500℃で常圧焼成した
後、さらに1300〜1500℃で熱間静水圧焼成すれ
ば良い。
そして、焼成終了後、3乃至100℃/minの速度で
冷却する(e工程)。なお、この冷却速度は800℃ま
で行うことが望ましい。
この冷却速度は多結晶組織中に相互応力を封し込めるた
めに重要であり、3℃/minより遅いと、相互応力が
弱くなり、100℃/minより速いと相互応力が過大
となり、焼結体に割れが生じ易くなる。
このようにして得られる本発明の^1.L0.質焼結体
中のZr0zは、正方晶Zr0z (t−ZrO□)、
立方晶ZrO□(c−Zr02)或いはt−Zr0zと
c−ZrOzの中間的結晶疑立方晶ZrO□(c’−Z
rO7)を主体とするもので単斜晶Zr02は全ZrO
□の50%以下、特に30%以下であることが好ましく
、50χを超えると破壊靭性が著しく低下する傾向にあ
る。
以下、本発明を次の例で説明する。
〔実施例〕
BET比表面積が共に8m2/g以上のへ1□03粉末
をアトリションミルで30分分間式粉砕した後、BET
=9 = 比表面積が6m2/g以上のZr0z粉末を第1表の割
合でそれぞれ秤量し、Al2O3製ボールを用いてボー
ルミルにて湿式混合を行った。その後、7χのノ\イン
グーを添加し、この原料を2t/Cm2の圧力で所定の
形状に成形し、脱バインダー処理を行った後、第1表に
示す温度で6時間予備焼成を行った。その後、第1表に
示す温度で1時間1990Kg/cm2、静置囲気にて
熱間静水圧焼成を行い800℃まで冷却速度1〜150
℃/minで冷却した。試料はいずれも99%以上の高
密度体であった。
得られた試料を3 x4 X45mmに研摩して抗折試
験及び靭性試験用試料とした。また別にφ15m「、厚
さ5mmのタブレットを作製し、′a織観察用の試料と
した。
組織観察用試料は、研摩の後、1μmのダイヤモンドペ
ーストででポリッシングをし、1450℃で5分(昇温
速度2hr )で熱処理し、SEM観察し、変形の有無
を観察した。
抗折強度はJIS R1601の4点曲げ試験法により
測定した。また破壊靭性は、ヒ・ノカース硬度用ダー1
〇− イヤモンド圧子で20Kgの荷重を加えて生じた圧痕及
びクラック寸法から新涼の式を使用して求めた。
〔以下余白〕
第1表の結果によれば、ZrO□を全く添加しないNo
、1は抗折強度、破壊靭性共に低い値を示すものである
。またZrO□の量が30重量%を超えたNo、6の試
料では焼成温度を1500℃を超える温度に設定する必
要があり、得られた焼結体の特性も低く、粒子間の相互
応力も認められない。ZrO2の量が1乃至30重量%
であっても焼結温度が1500℃を超えた陽7,8でも
特性は悪く、相互応力も認められない。
逆に1300℃を下回わるNo、 11では強度が極端
に低く、実用に而Jえない。
また、焼成時の冷却速度が3〜b はずれた( No、13.14 )の試料でも相互応力
は認められず、冷却速度が速いNo、14では破壊が生
じた。
更にA1□03粉末に対して乾式粉砕せずに、ZrO2
と単純に湿式混合を行ったNo、 15の試料では、抗
折強度、靭性が共に低く、特性としては不十分であり、
相互応力も認められなかった。
一方、本発明に基づく試料No、2〜5.9,10.1
2はいずれも高い抗折強度、破壊靭性を有するもので、
相互応力が大きい。即ち、熱処理後の変形が多い程、特
性が向上する傾向にあり、いずれも抗折強度85Kg/
mm2以上、破壊靭性4.5MN/m””以上が達成さ
れた。
なお、第1表の試料のうち階4の試料について1000
℃での高温抗折強度を測定したところ65Kg/mm2
と優れた値を示し、窒化珪素質焼結体とほぼ同等の高温
特性を有するものであった。
また、No、4の試料を120℃の水中に投入して10
0時間放置した所、部分安定化ZrO2では大幅な強度
低下を示したのに対し、この材料は影響を受けず、耐水
性にも優れることがわかった。
〔発明の効果〕
以上、詳述した通り本発明のアルミナ質焼結体は、微細
なAh(h−ZrO□系の多結晶組織の結晶粒子間に相
互応力を存在させることにより、AhO,−ZrO□系
における抗折強度、及び破壊靭性をともに向上させるこ
とができ、しかも、高温特性、耐水性をも改善できるも
のである。
それにより、切削工具として利用した場合、工具のチッ
ピング等を防止し、長寿命化を達成できるとともにその
他の産業機械構造用材料や生体用材料として用途を拡大
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のアルミナ質焼結体(実施例のNo4)
の熱処理後の焼結体表面の結晶組織を示す電子顕微鏡写
真である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)平均粒径0.5μm以下のジルコニア粒子が1乃
    至30重量%と、残部が実質的に平均粒径1.3μm以
    下のアルミナ粒子から成る高密度の多結晶組織中に粒子
    間相互応力が存在することを特徴とするアルミナ質焼結
    体。
  2. (2)粒子間相互応力の大きさが1200〜1600℃
    の熱処理によりアルミナ粒子の一部或いは全部に変形を
    もたらすレベルである特許請求の範囲第1項記載のアル
    ミナ質焼結体。
  3. (3)(a)少なくともBET比表面積5m^2/g以
    上のアルミナ粉末を乾式粉砕して活性化処理する工 程と、 (b)(a)工程後のアルミナ粉末に1乃至30重量%
    の割合でBET比表面積5m^2/g以上のジルコニア
    粉末を加え混合する工程と、 (c)前記混合粉末を成形する工程と、 (d)前記成形体を1300〜1500℃の温度で焼成
    する工程と、 (e)焼成後、3乃至100℃/minの冷却速度で冷
    却する工程と を具備することを特徴とするアルミナ質焼結体の製造方
    法。
JP62324749A 1987-12-21 1987-12-21 アルミナ質焼結体及びその製造方法 Pending JPH01164759A (ja)

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US07/286,888 US5082809A (en) 1987-12-21 1988-12-20 High-strength alumina sintered body and process for preparation thereof
EP88121406A EP0321955B1 (en) 1987-12-21 1988-12-21 High-strength alumina sintered body and process for preparation thereof
DE3853349T DE3853349T2 (de) 1987-12-21 1988-12-21 Gesinterter Aluminiumoxidkörper von hoher Festigkeit und Verfahren zu seiner Herstellung.

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62128962A (ja) * 1985-11-26 1987-06-11 京セラ株式会社 アルミナ質焼結体の製造方法

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JPS62128962A (ja) * 1985-11-26 1987-06-11 京セラ株式会社 アルミナ質焼結体の製造方法

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