JPH0121112B2 - - Google Patents

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JPH0121112B2
JPH0121112B2 JP59073653A JP7365384A JPH0121112B2 JP H0121112 B2 JPH0121112 B2 JP H0121112B2 JP 59073653 A JP59073653 A JP 59073653A JP 7365384 A JP7365384 A JP 7365384A JP H0121112 B2 JPH0121112 B2 JP H0121112B2
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JP
Japan
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zirconia
phase
carbide
amount
tic
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JP59073653A
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English (en)
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JPS61106455A (ja
Inventor
Hirohide Yamada
Yoshiharu Koike
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は種々の電子機器の基板、例えば薄膜磁
気ヘツドのスライダーや磁気記録デイスクの基板
など、また断熱材などに使用するのに適したジル
コニアセラミツクスの組成に関するものである。 このような用途に使用されるセラミツクスとし
ては、機械加工性に優れていることがまず要求さ
れる。すなわち、加工時の切削抵抗の少ないこと
や、切断ブレードなどへの目づまりのないことな
どが要求される。また、加工時に加工された部分
の結晶粒の脱落が起るがこの脱落部分が出来るだ
け小さいことが望ましい。そのためには、結晶粒
が小さいことが望ましい。 また、これらの用途においては摺動性に優れて
いることも必要であるが、従来提案されていた
Al2O3―TiC系セラミツクスは摺動性に劣つてい
た。 そこで、本発明は加工性がよく更に摺動性にも
優れているジルコニア系セラミツクスを提案する
ものである。 本発明のジルコニアセラミツクスは、周期率表
a,a,a族から選ばれた少くとも1種類
の元素の炭化物を0.4〜26.3wt%、アルミナを0.34
〜22.5wt%を含み、残部が実質的にジルコニア部
分からなることを特徴とする。望ましくは、炭化
物量を0.72〜7.2wt%、アルミナ量を0.8〜8.1wt%
含む。ジルコニア相に炭化物微粒子、特にTiC微
粒子、やアルミナ微粒子を分散させることにより
ジルコニア相の結晶粒の成長を防ぎ、マトリツク
スの結晶粒を微細化する働きがあるものと考えら
れる。不純物としては通常許容される程度の
SiO2,Fe2O3は、含有することが出来るが、
Fe2O3の量は0.1wt%以下にすることが望ましい。
SiO2の量は5wt%までは問題にならない。また、
通常はジルコニア相に固溶されていると考えられ
ているY2O3,CaO,MgOなどが部分的に析出し
て来て、分散粒子となり、あるいは添加したTiC
やAl2O3などと結合あるいは反応した微粒子とし
てジルコニア相中に分散することもあるが、これ
は問題ではない。Al2O3とTiCは上述のようにジ
ルコニア相中に分散して、結晶粒の粗大化するの
を防ぐが、同時にジルコニアセラミツクスを切削
する際に、高硬度の炭化物がドレツシングの役割
をして、ダイヤモンドプレートの目づまりを防止
する。 ジルコニア相としては安定化ジルコニア相、す
なわち立方晶ジルコニアであることが望ましい。
立方晶ジルコニアは摺動特性に優れる。 ジルコニア相を安定化するには、Y2O3
MgO,CaO等の安定化剤を添加する。これらの
安定化剤を添加しないジルコニアは高温(2400℃
以上)では立方晶(C―相)であるが、温度を下
げて2400℃〜約1200℃の範囲では正方晶(t―
相)となり、常温(約1200℃以下)では単斜晶
(m―相)となる。そこで、安定化剤の量がきわ
めて少い場合、ジルコニアは常温ではm―相にな
るが、安定化剤の量を増加するとt―相が常温で
存在するようになり、更に安定化剤の量を増やす
と常温でもC―相で存在することになる。 そこで本発明のジルコニアセラミツクスにおい
ては、そのジルコニア相には常温においても立方
晶ジルコニアとして存在するだけの安定化剤を含
有させることが望ましい。Y2O3の場合、ジルコ
ニア相のなかに5〜20mol%含有され、残部実質
的にZrO2であることが望ましい。しかし、MgO
やCaOも同時に含有されても問題ない。 このような安定化剤が過剰に含まれた場合、立
方晶ジルコニアのなかにY4Zr3O12のようなZrO2
―Y2O3の化合物が析出して、摺動特性の劣化、
強度の低下をまねく。そこで20mol%以上の
Y2O3を含有することは望ましくない。安定化剤
が少くなると上に述べたように、t相やm相も生
じてくるが常温でm相が生じると、その際体積膨
張を伴なう。基板への膜付け、パターン付けの際
の数百℃までの加熱や冷却に起因してm相が生じ
ると基板の反りやパターンずれが生じるおそれが
ある。そこで安定化ジルコニアにするための安定
化剤の下限値は約5mol%である。Y2O3の含有量
は5mol%以上でできるだけ少いことがよく、よ
り適当な量は約5〜約10mol%である。 ジルコニア相の結晶粒径は12μm以下であるこ
とが望ましい。より望ましくは、10μm以下であ
る。正方晶ジルコニアの結晶粒径は通常約15μm
であるが、12μm以下にすることによつて機械加
工性が向上し、チツピングの大きさも小さくする
ことができる。 更に、本発明のジルコニアセラミツクの相対密
度(理論密度と比して)は99%以上であることが
望ましく、ポアの極めて少ないものとなつてい
る。このように高い密度を持つので、摺動特性の
優れたものとなる。 本発明のジルコニアセラミツクスを製造するに
は、ZrO2微粉末、Y2O3粉末、a,a,a
族元素の炭化物(例えばTiC,ZrC,HfC,VC,
NbC,TaC,WC)粉末及びAl2O3粉末を所定の
割合で配合し、十分混合し、これを乾燥させ、少
量のバインダーを加えて造粒する。この造粒粉を
得るべき形状のキヤビテイを持つたプレス機で成
形体に予備成型する。この成形体を真空中で1400
℃〜1600℃の温度でホツトプレスして焼結体とし
てジルコニアセラミツクを得る。 このホツトプレスを行う時の温度は得られたジ
ルコニアセラミツクスの性能を左右する。1400℃
以上の温度はセラミツクスの相対密度を99%以上
にするために必要である。しかし、1600℃以上に
すると、安定化ジルコニアの結晶粒の粒成長が著
しくなるので1600℃以下でホツトプレスすること
が望ましい。 ホツトプレスで得たジルコニアセラミツクスは
用途に応じて必要とする形状にダイヤモンドブレ
ードで切断し、グラインダーなどで仕上加工をす
る。また必要に応じて磁気コア、信号コイル、絶
縁膜を付けて用いられる。この絶縁膜としては数
10μm厚さにスパツターで付けたAl2O3が使用さ
れる。 以上説明したように、本発明のジルコニアセラ
ミツクスは摺動性、耐摩耗性に優れている。また
密度も高くポアがほとんどない。 更に、機械加工性が良好などで、微細な加工を
行うことができる。 本発明のジルコニアセラミツクスについて、以
下例を示す。 例 1 平均粒径0.03μmのZrO2微粉末とY2O3粉末、さ
らに代表的なa,a,a族遷移元素の炭化
物(TiC,ZrC,HfC,VC,NbC,TaC,WC)
粉末及びAl2O3粉末を表1に示す割合に配合し、
純水を溶媒としてアルミナボールミルで24時間混
合した。混合溶液を乾燥し10%のPVA溶液を添
加してらいかい機で造粒後、1ton/cm2の圧力で
80φ×6〜7の成型体に予備成型した。次にこれ
を真空中1450℃×300Kg/cm2×1hの条件下でホツ
トプレスした。 焼結体の密度は水中置換法で測定し理論密度を
除して相対密度を求めた。曲げ強度試験は焼結体
をダイヤモンドブレードで切断し4mm×3mm×35
mmの試験片を使用し、JIS4点曲げて測定した。ま
たポア観察、ビツカース硬度測定(荷重200g)
は試片の一部を鏡面研摩して行つた。比抵抗の測
定には1cm角の試片を用い、4端子法の一種であ
るパウ法で測定したが、比抵抗が高いときには両
面に銀ペーストを塗布し絶縁抵抗を決めた。ま
た、摩耗テストを行い、摩耗量を測定し、ジルコ
ニアの摩耗量を100としたときの相対比較を行つ
た。加工性は、鏡面研摩した試片にダイヤモンド
ブレードで溝を入れラツピング面と切削面の稜に
生ずるチツピングの大小で比較した。また摺動特
性は、焼結体から実際の薄膜磁気ヘツドの形状に
切り出し、磁気デイスクと接触させてデイスクを
回転し、特性を比較した。以上の測定結果を第1
表に示す。 第1表でAl2O3と炭化物を加えたジルコニアセ
ラミツクスはNo.1〜8であり、No.9〜10はAl2O3
のみを加えたジルコニアセラミツクスである。い
ずれも助剤としてAl2O3を2wt%添加してある。
また、No.11は助剤としてMgOを0.5wt%添加し、
1650℃でホツトプレスしたものである。 相対密度はAl2O3―TiCを除いてすべて99%以
上に緻密化しており、また鏡面のポア観察におい
てもほとんどポアは観察されず、基板としての基
本的特性である表面にポアが存在しないという条
件を満していることがわかつた。これはマトリツ
クスであるZrO2がAl2O3に比べて焼結性が元来良
好である上に、圧力下で焼結していることに起因
するものと思われる。 ビツカース硬さはAl2O3―TiCに比べ、ZrO2
方が小さいが炭化物を加えることにより、Hvは
1400〜1550と100〜200程上昇する。そのため、耐
摩耗性も向上する曲げ強度はマトリツクスの強度
に強く影響を受けるため、残留正方晶の多いNo.7
に比べ、ZrO2及びZrO2―炭化物系では強度は小
さいが基板材としては十分な強度である。また比
抵抗は30vc1%の炭化物を複合化した場合、炭化
物粒子の平均粒径、分布状態によつて大きな差異
が存在するがそれでもマトリツクスのZrO2に比
べ導電性は大幅に向上されており、帯電防止とい
う点では好ましい影響を与える。 溝入れの際のチツピングは炭化物を添加すると
チツピングの量、大きさは小さくなり加工性は向
上した。摺動特性はAl2O3―TiCの場合、短時間
でデイスクに傷をつけるため基板材としてあまり
好ましくないのに対し、Y2O3を十分に入れた安
定化ジルコニアでは長時間のデイスク回転に耐
え、摺動特性は良好である。
【表】
【表】 例 2 表2に示す組成のジルコニアセラミツクスを例
1と同じ製造条件で作成した。これを加工し、鏡
面にラツピングして、3″径のウエハーとした。こ
の試料について、結晶径径、耐チツピング性、切
削抵抗加工性、切削面の肌の状況、摺動特性を測
定した。 耐チツピング性はダイサーによる溝入れ加工の
際に稜に生ずるチツピングの大きさ(表では最大
チツピング深さで示す)及びアルミナ膜の欠けに
よつて測定した。アルミナ膜はセラミツク基板上
に約40μm厚さにスパツターリングで形成し、こ
れにダイサーで溝入れ加工した時に基板とともに
アルミナ膜が欠けた時のその部分の欠けの幅で示
した。 切削抵抗は外周スライサーで、スライサーに加
わる応力を圧電素子を用いて測定した。 摺動特性は磁気デイスクを回転させて、これに
ジルコニアセラミツクスを接触摺動させるCSSテ
ストによつて判定した。 Al2O3,TiCを添加しないNo.12及び14のジルコ
ニアの場合、切削抵抗力は非常に大きく切削面の
肌の状態も良くなかつた。チツピング深さは結晶
粒径の小さいNo.12では小さいが、Y2O3量を増加
し粗大な立方晶が多くNo.14では大きくなつた。
TiC,Al2O3を単独に添加したNo.15,16では結晶
粒がある程度微細化されるためチツピング深さは
ある程度減少するが切削面の肌の状態は大きさは
改善されない。それに対しTiCとAl2O3を同時に
添加したNo.13及びNo.17〜25の場合にはチツピング
量はNo.14に比べ1/3程度に減少しました切削抵抗
力も小さく切削面の肌の状態も良好であり、スラ
イダーを90本加工後も切削面は最初とほとんど変
わりはない。またアルミナ膜の欠けも非常に小さ
い。 No.25はTiCを40Vol%と非常に多く添加した場
合であるが、チツピング切削抵抗共に小さいが摺
動特性が悪い。 以上の実験から明らかなように、ジルコニアセ
ラミツクスは摺動特性に優れている。しかし、炭
化物を30Vol%を越えて加えたものは少し摺動特
性が落ちる。それでも、Al2O3―TiC系よりも優
れている。 ジルコニアセラミツクスに炭化物、アルミナを
分散させたものは、耐摩耗性に優れている。 C相のジルコニアであつても、Al2O3,TiCを
分散させると結晶粒径が小さくなり、チツピング
量が小さくなる。このため加工性が良好になる。
【表】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 周期率表a,a,a族から選ばれた少
    くとも1種類の元素の炭化物を0.4〜26.3wt%、
    アルミナを0.34〜22.5wt%を含み、残部が実質的
    にジルコニア部分からなることを特徴とするジル
    コニアセラミツクス。 2 ジルコニア部分は実質的に立方晶ジルコニア
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載のジルコニアセラミツクス。 3 周期率表a,a,a族の元素の炭化物
    が炭化チタンであることを特徴とする特許請求の
    範囲第2項記載のジルコニアセラミツクス。 4 ジルコニア部分は酸化イツトリウムを5〜
    20mol%含み残部が実質的に酸化ジルコニウムで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載
    のジルコニアセラミツクス。 5 ホツトプレスを行つて理論密度の99%以上に
    したことを特徴とする特許請求の範囲第4項記載
    のジルコニアセラミツクス。
JP59073653A 1983-09-21 1984-04-12 ジルコニアセラミツクス Granted JPS61106455A (ja)

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