JPH0283252A - ジルコニウムのオキシカーバイドと酸化アルミニウムの複合焼結体の常圧製造法 - Google Patents

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 本発明はジルコニウムのオキシカーバイドと酸化アルミ
ニウムの複合焼結体の製造方法に関する。

この複合焼結体は切削工具用材料、耐摩耗材、酸化雰囲
気で使用可能な発熱体材料および電気伝導性材料として
有用なものである。

従来技術 Ａｈ０２は高強度、高硬度等の優れた特性を持つが、低
靭性であるという欠点を存している。そこで、高硬度、
高強度に加えて高靭性のＺｒＣと複合化することにより
、機械的特性の優れたＺｒＣ−＾１．０．複合セラミッ
クスとすることは知られている。

また、ＺｒＣは電気伝導性に優れているが、耐酸化性が
劣る欠点を有する。そこで耐酸化性に優れた＾１　ｔｏ
ｆｆと複合化することによって、両長所を兼ね備えたＺ
ｒＣＡＩｔＯ：＋導電性セラミックスとすることも知ら
れている。

しかし、この複合セラミックスの焼結体はいずれも低温
で高加重をかけたホットプレス法によって製造している
。即ち、成分の一つであるＺｒＣは難焼結性であるため
、焼結には加重が必要であり、高温ではＡ１．Ｏ，の蒸
発が顕著となるため、上記の方法によって製造していた
。

このように従来法によると高加重を必要とするため、製
造装置も高価となり、製造プロセスが複雑化し、それだ
け製造コストが高くなるとともに、複雑形状の焼結体を
つくることはできなかった。

また得られる焼結体はＺｒＣ−Ａ　Ｉ□０．の二相系に
しかなり得なかった。

また、常圧焼結法としては、圧粉体をＡｌｔＯ３粉末に
包埋して焼成すると焼結密度が上昇することは公知の事
実である。（本発明者らが発表した窯業協会昭和６２年
年会講演予稿集ｐ、４５５　）これは焼結雰囲気を制御
し、また圧粉体からの酸化アルミニウムの蒸発を防ぎ組
成変化のないようにして、緻密化を高めるためである。

しかしながら、ＺｒＣの粒径の最適化が検討されていな
かったため９０％程度の相対密度が上限であった。

発明の目的 本発明は従来法の欠点をなくすべくなされたもので、そ
の目的は炭化ジルコニウムと酸化アルミニウムを原料と
し、従来のものより高密度（相対密度９３〜９７％）で
、炭化ジルコニウムの炭素サイドを酸素で置換したジル
コニウムのオキシカーバイドと酸化アルミニウムからな
る特性の優れた複合焼結体を製造する方法を提供するに
ある。

発明の構成 本発明は前記目的を達成すべく、特定範囲の粒径（３〜
１０μｍ）をもつ炭化ジルコニウム粉末と、酸化アルミ
ニウム粉末を特定配合した圧粉体、あるいはこれに微量
の酸化マグネシウムあるいは酸化イツトリウム粉末を添
加した圧粉体をつくり、この圧粉体を酸化アルミニウム
粉末に包埋して、中性雰囲気または還元性雰囲気で、１
７００〜１９００“Ｃで常圧焼結すると、常圧焼結にも
かかわらず、従来法では得られなかった高密度の特性の
優れた複合焼結体が得られることを知見した。また得ら
れる焼結体はジルコニウムのオキシカーバイドと酸化ア
ルミニウムを含む複合焼結体であることがわかった。こ
れらの知見に基づいて本発明を完成した。

本発明の要旨は、粒径３〜１０μｍの炭化ジルコニウム
粉末１５〜５０重量％と酸化アルミニウム粉末８５〜５
０重量％の均質混合物、あるいは酸化アルミニウムに対
して５重量％以下の量の酸化マグネシウムあるいは酸化
イツトリウム粉末を添加した均質混合物を圧粉体に成形
し、この圧粉体を酸化アルミニウム粉末に包埋して、中
性または還元性雰囲気で、１７００〜１９００’Ｃで常
圧焼結することを特徴とするジルコニウムのオキシカー
バイドと酸化アルミニウムの複合焼結体の製造法にある
。

本発明における炭化ジルコニウム粉末と酸化アルミニウ
ム粉末の配合割合は、炭化ジルコニウムが１５〜５０重
量％、酸化アルミニウムが８５〜５０重世％の範囲であ
る。炭化ジルコニウムが１５重量％より少ないと得られ
る焼結体の靭性、電気伝導性、硬度が低くなり、５０重
量％をこえると高緻密のものとならず耐酸化性も劣るも
のとなる。

原料の炭化ジルコニウムとしては、その粒径が３〜１０
μｍのものを使用することが必要である。

粒径が３μ鴎より小さいと焼成中酸化アルミニウムの蒸
発量が多くなり高緻密な焼結体が得難く、また粒径がＩ
Ｏμ鴎を超えると焼結の進行が阻害される。従って、原
料粉末の混合中にも炭化ジルコニウム粉末が粉砕されて
３μｍ未満の粒径とならないようにすべきである。それ
にはボールミルで混合する場合、ナイロンポール等のポ
ールを用いることが好ましい。

酸化マグネシウムあるいは酸化イツトリウム粉末を加え
るのは、焼結体の密度を高くするためである。また添加
により耐酸化性が向上する。但し、添加量が５重量％を
こえると焼結密度の低下をまねく。

常圧焼結の温度は、１７００℃より低いとＡｌｘ０ｉの
蒸発量は少ないが、焼結に必要な物質の駆動力が十分で
なく、焼結が進まない。１９００℃をこえると、成形圧
粉体をＡ１□０．粉末に包埋してもＡｈＯ＊の蒸発量が
多くなり、組成変化をもたらすばかりでなく、緻密な焼
結体が得られない、従って、１７００〜１９００℃の範
囲内で焼結することが必要である。雰囲気は中性または
還元性であることが必要で、それは、ＺｒＣの焼結中の
酸化を防止するためである。

本発明の方法で得られる焼結体は、炭化ジルコニウムの
炭素サイトを酸素で置換したジルコニウムのオキシカー
バイドＺｒＣ，ＩＱ、　（Ｑ　＜　ｘ　＜　１、ｏ　＜
ｙ　＜ｉで、０．５≦ｘ＋ｙ≦１．０．０５≦ｙ八≦０
．２２）と酸化アルミニウムの複合焼結体となる。

ＺｒＣｌｌ０ｙにおいて、ｘ＋ｙは原料のＺｒＣの不定
比性によって支配される。また炭素と酸素の比ｙ／ｘは
焼結温度が低いと小さくなり、高いと大きくなる。本発
明において焼結温度が１７００″Ｃのときｙ／ｘ＝０．
０５．１９００℃のときｙ／ｘ＝０．２２となる。従っ
て、本発明の方法においては０．０５≦ｙ／ｘ≦０．２
２のものが得られる。

ＺｒＣ３５重量％、Ａｌｚ（ｈ　６５重量％の組成の出
発原料を用い、ＺｒＣの粒度を変え、ＭｇＯまたはＹ、
０．を添加（＾１ｔｏｓの０．５重量％）した場合にお
ける焼結温度と得られる焼結体の相対密度の関係を示す
と第１図の通りである。

図中、ムはＺｒＣ粒度が３μ■以下、・はＺｒＣ粒度が
３〜１０μ園、○はｑｇｏを、口印はＹｔＯｓを添加し
た場合を示す。

図が示すように、ＺｒＣ粒度が３〜１０μｍのものの方
が焼結密度が高い、　ＭｇＯまたはＹ２Ｏ，を配合する
と相対密度が上昇する。焼結温度が１９００℃を超える
と焼結密度はあがらず、＾１２０．の蒸発が多くなる。

出発原料の組成及びＺｒＣの粒度を変化させて１８５０
’Ｃで常圧焼結した場合における相対密度との関係を示
すと第２図の通りである。

図中、ムは炭化ジルコニウムの粒径が３μｍ未満、・は
炭化ジルコニウムの粒径が３〜１０μｍ１０はＭｇＯ、
口はＹｚＯｓ　（ＡＩ！Ｏａの０．５重量％）を添加し
た場合を示す０図が示すように、炭化ジルコニウムは１
５重量％を必要とし、５０重量％を超えると高緻密な焼
結体となり得ない。

第３図はＺｒＣ３５重量％、Ａｔ、０．６５重量％の組
成の出発原料に添加するＭｇＯ、ＶｔＯｓの量を変化さ
せて１８５０℃で常圧焼結した場合における相対密度と
の関係図である。図中・は無添加、図が示すように、−
ｇｏとｙ、ｏ、ではＭｇＯの添加効果がわずかに大きい
。また、添加量は５重量％までは効果があり、これを超
えると相対密度は低下してくる。

第４図はＭｇＯをＡｈＯｓに対し、０．５重量％添加し
た場合の焼結体の室温導電率とＺｒＣｘ０．の量との関
係図を示す。本発明の方法による焼結体は電気伝導性が
優れていることが分かる。

実施例１゜ 粒径３〜１０μｍのＺｒＣ粉末と平均粒径０．５μｍの
Ａ１．０３粉末を使用し、ＺｒＣの組成割合が３５重量
％であるように秤量し、これにエタノールを加えナイロ
ンボールを用いて１２時時間式混合した。この混合粉末
を乾燥させた後、−軸加工成形および静水圧プレスによ
ってベレット状の成形体とした。

この成形体をＳｉＣるつぼ中でＡＩＪｓ粉末に包埋して
、Ａｒ気流中で高周波炉により１７００〜１９００℃で
加熱焼結した。

焼結中の試料の重量減は１％で以下で、焼結体の相対密
度は９４〜９６％と高いものであった。

これに対し、アルミナボールを用いてＺｒＣ粉を粒径１
〜３μｍとしたものを使用し同様に焼結体を作ったとこ
ろ、焼成中の試料の重量減は２〜３％で焼結体の相対密
度は９１〜９２％と低下した。

実施例２゜ 粒径３〜ＩＯμｍのＺｒＣ粉末と平均粒径０．５μｍの
Ａｌｔｏｓ粉末を使用し、ＺｒＣの組成割合が１５．３
５．５０重量％であるように秤量し、さらにＡ１□０３
に対して０．５重量％のＭｇＯ粉末（平均粒径０．２μ
ｍ）あるいはＹ２Ｏ，粉末（平均粒径０．５μｍ）を添
加して混合粉末を作り、これにエタノールを加えてナイ
ロンボールを用いて１２時時間式混合した。この混合粉
末を乾燥させた後、−軸加工成形および静水圧プレスに
よってペレット状の成形体とした。

この成形体をＳＬＣルツボ中でＡｌｔｏｓ粉末に包埋し
て、Ａｒ気流中で高周波誘導加熱炉により１７００〜１
９００℃で加熱焼結した。これにより相対密度９５％以
上の緻密な焼結体が得られた。

得られた焼結体について化学分析を行い、ＺｒＣは酸素
が固溶したジルコニウムのオキシカーバイド（ＺｒＣｘ
Ｏｙ　）に変化していることが分かった。

ＺｒＣ３５重世％、へＩｔ０３６５重量％の原料組成、
及びＭｇ００．５重量％を配合したものを前記と同様に
して１７００℃２１９００’Ｃで焼成した焼結体の組成
は次の表１の通りであった。

実施例３゜ 粒径３〜１０μ−のＺｒＣ粉末と平均粒径０．５μ情（
７）Ａｌ２Ｏ，粉末を使用し、ＺｒＣが３５．５０重量
％の混合粉末ニＭｇＯマたはｙ、ｏｆｆ粉末（Ａ　ｌ　
ｔ　Ｏｓ　（Ｄ　０　、５重量％）を添加し、実施例２
と同様にして圧粉成形体を作った。これを＾ＩｔＯｓ　
Ｎ末に包埋し、Ａｒ気流中で１８５０℃に加熱した。

焼結体の組成、相対密度、ピンカース硬度、靭性及び３
点曲げ強度は表２に示す通りであった。

表 出発原料の組成　　焼成温度 ＺｒＣ３５重量％　　　　１７００℃ ＋ Ａｌｔｏｓ　６５重重景 焼結体の組成 Ｚｒｆ’：ｏ、　ｑｓ　Ｏｏ、　ｏｓ　３５．１重量％
＋ Ａ１□ｏｓ　６４．踵量％ １９００　’Ｃ ＺｒＣｅ、　ａｔ　０６．　＋ｓ　３５．道量％十 ＡＩｚＯｓ　６４．７重世％ ＺｒＣ３４，踵量％ ＋ ＡｈＯｓ　６４．７重量％ ＋ Ｍｇ００．５重量％ １７００℃ ＺｒＣｏ、　９５０ｏ、　ａｓ　３４．９重量％＋ Ａ１□ｏ！６４．這量％ ＋ ＭｇＯｏ、ｓ　９％ １９００℃ ＺｒＣｏ、　８２０ｏ、　ｒｅ　３５．０重量％＋ ＾ｈｏｓ　６４．５重量％ ＋ ＭｇＯＯ，５重量％ これが示すように、高硬度、高靭性、高強度であり、切
削工具、耐摩耗部材、構造材料等として適している。

さらにＹ！０．を添加した焼結体を１５００’Ｃで５時
間空気中に放置してその重量変化を測定することにより
耐酸化性を調べた。その結果は表３に示す通りであった
。

表−３ ＺｒＣｏ、　１２ｏＯ，Ｉｆｆ　３４．８重量％十 ＾１ｔ（ｈ　６４．２重量％ ＋ ＹｚＯｓ　１．０重量％ ９３．５ ４．７ ＺｒＣｏ、　５ｓｏｏ、　＋、３４．２重量％９４．０ ４．５ ＋ ＡＩ、Ｏ！　６２．９重量％ ＋ Ｙｚ（ｈ　２．９重量％ この結果が示すように重量変化も少ない。

発明の効果 本発明はＺｒＣ粉末と＾１８０３粉末とを原料とし、特
にＺｒＣ粉末の粒度を特定範囲のものを用い、この圧粉
体を酸化アルミニウム粉末に包埋して焼結することによ
り、常圧焼結で、従来法では得られなかった優れた特性
を有するＺｒＣｘ０ｙとＡｈＯｓの複合焼結体を従来の
ものより高密度のものとして得られる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法において、原料組成がＺｒＣ３５
重量％、ａｕｔｏｓ　６５重量％の原料を用い、ＺｒＣ
の粒度を変え、ＭｇＯまたはＹ２Ｏ，を添加した場合に
おける焼結温度と得られる焼結体の相対密度との関係図
、第２図は原料ＺｒＣの量及びその粒度と得られる焼結
体の相対密度との関係図、第３図はＭｇＯまたはＹ２Ｏ
，の添加量と得られる焼結体の相対密度との関係図、第
４図はＭｇＯをＡｈ（ｈに対して０．５重量％添加した
焼結体の室温導電率とジルコニウムオキシカーバイド量
との関係図を示す。 第１図 第２図 凡峰温＆　　’ｃ 原料藤或 ｚ　（ｚｒｃ　＋Ｆ）　ｆｉｔＺ　’）第 図 Ｍ２Ｏ、Ｙ２０３め外方０ｆ ＡＩ２０３　＋＝　４　＋　３　ｒ量２第 ヰ 図 複イ計丈免牽舌体の予且へ；

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）粒径３〜１０μｍの炭化ジルコニウム粉末１５〜５
   ０重量％と酸化アルミニウム粉末８５〜５０重量％の混
   合物を、圧粉体に成形し、この圧粉体を酸化アルミニウ
   ム粉末に包埋して、中性または還元雰囲気で、１７００
   〜１９００℃で常圧焼結することを特徴とするジルコニ
   ウムのオキシカーバイドと酸化アルミニウムの複合焼結
   体の製造方法。 ２）粒径３〜１０μｍの炭化ジルコニウム１５〜５０重
   量％と酸化アルミニウム粉末８５〜５０重量％の混合物
   に、酸化アルミニウムに対して５重量％以下の量の酸化
   マグネシウムあるいは酸化イットリウムを配合して圧粉
   体に成形し、この圧粉体を酸化アルミニウム粉末に包埋
   して、中性または還元雰囲気で、１７００〜１９００℃
   で常圧焼結することを特徴とするジルコニウムのオキシ
   カーバイドと酸化アルミニウムの複合焼結体の製造方法
   。