JPH02116669A - ジルコニア質焼結体およびその製造法 - Google Patents

ジルコニア質焼結体およびその製造法

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JPH02116669A
JPH02116669A JP63271496A JP27149688A JPH02116669A JP H02116669 A JPH02116669 A JP H02116669A JP 63271496 A JP63271496 A JP 63271496A JP 27149688 A JP27149688 A JP 27149688A JP H02116669 A JPH02116669 A JP H02116669A
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JP
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powder
sintered body
mol
hardness
zirconia
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JP63271496A
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Kenji Saida
健二 才田
Yoshio Uchida
義男 内田
Shinji Fujiwara
進治 藤原
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Sumitomo Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Chemical 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は機械的強度、硬度及び靭性に優れたジルコニア
質焼結体およびその製造方法に関する。
更に詳細には安定化剤として酸化セリウム(以下CeO
,と記す場合がある。)と酸化マグネシウム(以下Mg
Oと記す場合がある。)を使用した機械構造材料用とし
て特に適した機械的強度、硬度及び靭性のすべてに優れ
たジルコニア質焼結体およびその製造方法に関するもの
である。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来よ
り酸化ジルコニウム(以下ZrO,と記す場合がある。
)の安定化剤としてCeO2あるいは1goをそれぞれ
単独で用いることがよく知られている。
CeO□を安定化剤として使用することに関して、例え
ばジャーナル・オプ・アメリカン・セラミック・ソサイ
エティ誌(Journal of American 
Ceramic 5ociety)第33巻280頁(
1950)にはCe0z−ZrOzの相平衡図が記載さ
れている。これによるとCeO□約18モル%以上では
、正方品と立方晶とが安定相であり、約18モル%未満
では、単斜晶が安定相であるが、後者の領域で正方晶が
準安定相として存在しうる可能性を示している。またジ
ャーナル・オブ・マテリアルズ・サイエンス誌(Jou
rnal ofMaterials 5cience)
第17巻255〜262頁(1982)には、Ce0z
7〜22モル%添加したZrO□を酸化アルミニウムに
対して30体積%添加して焼結した結果、この領域でZ
rO,は正方晶であり、その破壊靭性はCeO□12モ
ル%のとき最高値8 MPa−m””を与えると記載さ
れている。また前掲誌第20巻1178〜1184頁(
1985)にはCeO!7〜16モル%添加したZrO
2の焼結体の力学的性質を測定した記述がある。これに
よると破壊靭性、曲げ強度および硬度はCeO□含量と
焼結体の粒子径に依存し、破壊靭性は粒子径2゜5μm
 、 CeO□8〜10モル%のとき(以下組成Aと称
す)最高値約17MPa  ・m1″を与え、曲げ強度
は粒子径1μm 、 CeO□0〜12モル%のとき(
以下組成りと称す)最高値800MPaを与えている。
さらに、これによると破壊靭性と曲げ強度の両者ともに
高い値を与える組成は見出せず、上記組成Aの曲げ強度
は400〜500MPa、組成りの破壊靭性は約7 M
Pa−m””であり、また硬度はCeO3含量の低下と
共に低下し、組成Aで8.5〜9.0GPa、組成りで
9.0〜9.5GPaであった。
MgOを安定化剤として使用することに関して、マグネ
シア部分安定化ジルコニアが知られている。
その場合は立方晶固溶体領域で焼成し、適当な冷却速度
で正方晶を立方晶マトリックス中に析出させる方法が採
られている。〔例えばジャナル・オブ・アメリカン・セ
ラミック・ソサエイ(Journalof Ameri
can Ceramfc 5ociety)第50巻第
6号288頁〜290頁(1967) ) しかしながら、この場合には得られるセラミックスの立
方晶粒径が約10−100μmと大きく機械的強度に優
れたジルコニア質セラミックスは得られない。
上記の如く、CeO□は高い破壊靭性を与えるが、曲げ
強度については不十分であり、MgOはY2O3並みの
破壊靭性しか示さない。このため安定化剤であるCeO
2およびMgOがY2O3に比較し廉価であるにもかか
わらず高い機械的強度の要求される機械部品として注目
されることはなかった。
〔課題を解決するための手段〕
かかる事情下に鑑み本発明者らはY2O3よりも廉価な
CeO□とMgOを用い機械的強度や硬度、更には靭性
のどの物性にも優れたジルコニア質焼結体を得るべく鋭
意検討した結果、CeO□とMgOを特定割合で併用す
る場合には上記物性をすべて満足し得る焼結体が得られ
ることを見出し本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は酸化セリウム8.5〜10.5モル
%、酸化マグネシウム0.4〜2.0モル%を含有して
なるジルコニア質焼結体を提供することにある。
さらに本発明は酸化物換算で酸化セリウム8゜5〜10
.5モル%、酸化マグネシウム0.4〜2.0モル%含
有する酸化ジルコニウムからなる非晶質体を結晶化温度
以上、700℃以下に加熱し、正方晶を70重量%以上
含む粉末とし、該粉末を成形、焼結することを特徴とす
るジルコニア質焼結体の製造方法を提供することにある
本発明によれば曲げ強度が700MPa以上、破壊靭性
が13 MPa −m””以上かつ硬度が10GPa以
上であるジルコニア質焼結体を提供することができる。
以下、本発明の詳細な説明する。
本発明のジルコニア質焼結体はCeO□8.5〜10.
5モル%、MgOO,4〜2.0モル%で残部が主とし
てZrO□より構成されるもので、好ましくは常温での
ジルコニア質焼結体を構成する結晶粒子の約70重量%
以上、より好ましくは約90重量%以上は正方品、残部
が単斜晶であり、その平均結晶粒子径が約3μm以下の
ものより構成される。CeO,およびMgO量が上記範
囲外の場合には少なくとも曲げ強度、破壊靭性および硬
度のいずれかが小さくなり、所望の物性を有する焼結体
が得られない。
本発明においてジルコニア質焼結体は上述の安定化剤を
含有する他にその結晶相が常温で主として正方品であり
、その平均結晶粒子径が3μm以下である。
平均結晶粒子径が約3μmを越える場合には焼結体中に
単斜晶が増加して機械的強度が低下するので好ましくな
い。
このようなジルコニア質焼結体の製造方法としては、上
述の組成及び物性を有する焼結体が得られる方法であれ
ば、特に制限されるものではないが、CeO□−MgO
−TSZ (正方晶安定化ジルコニア)焼結体の理論密
度に対する相対密度が90%以上(即ち気孔率を10%
以下)、好ましくは約95%以上になるように原料粒子
径、粒度分布、凝集粒子径、更には焼結条件等を調整す
ればよい。
上記の具体的な製造条件は適用する原料の性状、燻焼条
件、粉砕条件、解砕条件、更にはCe0zとMgOの混
合条件等により一義的には決定できないが、最も簡単に
は通常焼結体の平均結晶粒子径を3μm以下となすよう
に、原料ジルコニア質粉末の平均粒子径も約2μm以下
、好ましくは約1μm以下のものを用いればよい。
より好ましい本発明の焼結体を得るに適した原料粉末の
製造方法としてはセリウム、マグネシウムおよびジルコ
ニウムの酸化物、水酸化物またはそれらの水和物の非晶
質体を結晶化温度以上、700℃以下に仮焼して、これ
を必要により振動ミル等により粉砕して平均結晶粒子径
を1μm以下、正方晶を70重量%以上含む原料粉末と
する方法が挙げられる。
上記非晶質体は、セリウム、マグネシウムおよびジルコ
ニウムの各々の可溶性塩の酸性水溶液にアルカリを加え
て生成させることができるし、より好ましくは王者共存
の酸性水溶液にアルカリを加えて生成させることができ
る。最も好ましくは、ジルコニウムの可溶性塩の酸性水
溶液にp113〜4の範囲でアルカリを加えて非晶質体
を生成させ、これにセリウムおよびマグネシウムの酸性
水溶液を混合し、これに更にアルカリを加えて非晶質体
を生成させることができる。
ここで使用されるジルコニウムの可溶性塩としては、オ
キシ塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、酢酸ジルコ
ニウムなどがあり、ハフニウムを数%程度含む通常の工
業用試薬も使用することができる。
セリウムの可溶性塩としては塩化カリウム、硝酸セリウ
ムなどがあり、ネオジムなどのランタノイド元素を数%
含む工業用試薬も使用することができる。
マグネシウムの可溶性塩としては、塩化マグネシウム、
硝酸マグネシウムなどがあり、ストロンチウムを数%程
度含む工業用試薬も使用することができる。酸性水溶液
とするための酸は上記3元素と不溶性塩を生成しない酸
であればよく、塩酸、硝酸が好適例である。添加するア
ルカリは水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニ
ア水などが使用できる。
上記の非晶質体はX線回折によって非晶質と確認できる
ものであって、加熱により約450℃にて結晶化して正
方晶となるものである。加熱温度が高くなるほど結晶子
径が増大する。700℃を超えると結晶子径が大きくな
りすぎて、以下の成形工程で良好な成形体を得ることが
できない。
次いでこの粉末を金型成形、ラバープレス、押出成形法
、射出成形法等の公知の成形方法、或いはこれらの成形
法のいくつかを併用して成形した後、加熱炉中にて13
50〜1750℃まで昇温しで、その後数時間、例えば
1時間〜5時間焼成することにより本発明のジルコニア
質焼結体を得ることができる。
なお、本発明のジルコニア質焼結体の製法例において使
用する原料と安定化剤について記載したが、これはあく
まで主成分であって、ほかに本発明の効果を損ねない範
囲でシリカ、アルミナ、チタニア、カオリン、ムライト
等の当該分野において公知の焼結促進剤、粒成長抑制剤
を使用することは勿論可能である。
〔発明の効果〕
以上詳述した如く、本発明は安定化剤としてY2O3よ
りも廉価なCeO□及びMgOを特定割合で併用するこ
とにより、Y2O33モル%含有ジルコニア質焼結体、
さらにCeO□またはMgOを単独に用いて得たジルコ
ニア質焼結体と比較し、機械的強度は勿論のこと硬度並
びに靭性のどの物性においても著しく改良されたジルコ
ニア質焼結体を提供するものであり、該焼結体は切断・
切削工具、押出・線引ダイス、エンジン部品、ベアリン
グ用ボール、ボールペン用ボール、メカニカルシール、
シャフト、ノズル、ピストン等の機械構造材として極め
て有用であり、その工業的価値は頗る大なるものである
〔実施例] 以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、
該実施例は本発明を限定するものではない。
実施例1〜5、比較例1〜3 p)I=4の一定に保ちながら、オキシ塩化ジルコニウ
ム水溶液とアンモニア水を混合して、酸化ジルコニウム
非晶質体を析出させて濾取した。これを水に再分散させ
た後、硝酸セリウムと塩化マグネシウムの水溶液を第1
表に示すそれぞれの組成となるように加え、撹拌下にこ
れに水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpH=12とし
て非晶質体を析出させた。これを濾取、水洗、乾燥、解
砕して得られた粉末(結晶化温度400〜500℃)を
600℃12時間爛焼した。その後振動ミルで2時間、
湿式ボールミルで2時間粉砕し、乾燥・解砕してそれぞ
れBET表面積50m”/g、平均粒子径0.8 u 
mの粉末を得た。結晶相はそれぞれ正方晶70重世%以
上であった。
次いでこの原料粉末をラバープレス法(1ton/cm
”)により35mmX 5 mmX 5 mmの成形体
とし、1500”C,1550℃または1600″Cで
2時間焼成して焼結体を得た。該焼結体についてそれぞ
れ結晶相、曲げ強度、破壊靭性、硬度および結晶粒子径
を測定した。結果を第1表に示す。
さらに比較例として本発明の範囲外の第1表に示す組成
につき上記実施例と同様にして原料粉末を得た。該原料
粉末の平均粒子径はそれぞれ0.8μ通、結晶相は正方
晶がそれぞれ60重量%であった。
得られた原料粉末を実施例と同様にラバープレス法(1
ton/cm”)により35mmX 5 mmX 5 
mmの成形体とし、該成形体を1500’Cで2時間焼
成して焼結体を得た。該焼結体についてそれぞれ結晶相
、曲げ強度、破壊靭性、硬度および結晶粒子径を測定し
た。結果を第1表に示す。
なお、実施例および比較例において結晶相はX線回折法
、破壊靭性及び硬度は、Evans らにより提案され
たV、 I (Vickers Identation
)法(測定条件を荷重30kg X 15秒、ヤング率
E=1.86 X1051’IN /m”)、曲げ強度
は3点曲げ試験法(スパン長30mm、荷重印加速度0
.5mm/分)によって測定した。
焼結体の粒子径は走査電子顕微鏡写真により切片法で測
定した。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸化セリウム8.5〜10.5モル%、酸化マグ
    ネシウム0.4〜2.0モル%を含有してなるジルコニ
    ア質焼結体
  2. (2)酸化物換算で酸化セリウム8.5〜10.5モル
    %、酸化マグネシウム0.4〜2.0モル%を含有する
    酸化ジルコニウムからなる非晶質体を結晶化温度以上、
    700℃以下に加熱し、正方晶を70重量%以上含む粉
    末とし、該粉末を成形、焼結することを特徴とするジル
    コニア質焼結体の製造方法
JP63271496A 1988-10-26 1988-10-26 ジルコニア質焼結体およびその製造法 Pending JPH02116669A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023232806A1 (en) * 2022-05-31 2023-12-07 Katholieke Universiteit Leuven Zirconia ceramics

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023232806A1 (en) * 2022-05-31 2023-12-07 Katholieke Universiteit Leuven Zirconia ceramics

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