JPH0335260B2 - - Google Patents

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JPH0335260B2
JPH0335260B2 JP57213596A JP21359682A JPH0335260B2 JP H0335260 B2 JPH0335260 B2 JP H0335260B2 JP 57213596 A JP57213596 A JP 57213596A JP 21359682 A JP21359682 A JP 21359682A JP H0335260 B2 JPH0335260 B2 JP H0335260B2
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JP
Japan
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zirconia
powder
mgo
average particle
thermal properties
Prior art date
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JP57213596A
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Japanese (ja)
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JPS59107968A (en
Inventor
Tokuo Fuseki
Noboru Igarashi
Masato Saito
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Coorstek KK
Original Assignee
Toshiba Ceramics Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は機械的性質及び熱性質に優れたジルコ
ニア磁器の製造方法に関する。 従来、安定化剤としてMgOを含むジルコニア
磁器は、MgOを含むZrO2電融原料あるいはMgO
とZrO2粉末とを混合し、仮焼した合成原料等を
粉砕し、この粉砕粉を焼成することにより製造さ
れていた。 しかし、上述した方法では機械的性質及び熱的
性質に優れたジルコニア磁器を得ることができな
かつた。この原因としては以下のようなことを挙
げることができる。 () 安定化剤としてのMgOは古くから知られて
いるが、ZrO2中での固溶状態の安定性に欠け
るという欠点を持つている。これはMg2+イオ
ン半径の不適合性等によるものである。このた
め、上記方法によるジルコニア磁器の製造にお
いては、しばしば所定量のMgOを固溶させる
ことが困難であり、焼結体結晶組織の不均一を
招く。したがつて、センサ等として使用した場
合、安定したセンサ出力特性を得るのが困難で
あるうえ、熱衝撃等により破損が発生し、セン
サ寿命が限られていた。また、上述した理由に
より機械的強度はあまり強いとは言えず、構造
材料として用いられることはほとんどなかつ
た。 () 上記方法において、粉砕粉は焼結性が悪い
ため、焼結助剤を多量に添加して高温で焼成を
行なつていた。この結果、著しい結晶粒成長等
を起こし、結晶組織が微細でなくなるため、機
械的性質及び熱的性質が劣る原因となつてい
た。また、部分安定化によつてマイクロクラツ
ク等を存在させて耐熱衝撃性を向上させること
も試みられてきたが、結晶粒の成長とともにマ
イクロクラツクが増大し、しばしばクラツクの
発生源のなりマイナス要因となることがあつ
た。 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであ
り、結晶構造の均質化及び微細化を図ることによ
り機械的性質及び熱的性質に優れたジルコニア磁
器を製造し得る方法を提供しようとするものであ
る。 本発明者らはまず、MgOのZrO2格子中での固
溶状態を安定させる手法について種々検討した結
果、ジルコニア粉末と、予め共沈法等により
ZrO2格子中にMgOを固溶させたジルコニア化合
物粉末とを所定の割合で混合することにより安定
化剤であるMgOを添加し、この混合粉を成形し
焼成することによつてほぼ満足のいく機械的性質
及び熱的性質を有するジルコニア磁器が得られる
ことを究明した。これは、上述したような手法に
よれば、MgOのZrO2格子中での固溶状態が安定
しており、結晶組織が均質になるためであると考
えられる。 しかし、上述した手法を採用しただけではまだ
機械的性質及び熱的性質の劣るジルコニア磁器が
得られる場合があつた。これは得られるジルコニ
ア磁器の結晶組織が微細でないためであると考え
られる。 そこで、本発明者らは機械的性質及び熱的性質
が劣る場合について更に検討した結果、出発原料
として焼結性の良好な粒径の小さいものを用いる
ことによつて焼結温度を低下させて結晶粒の成長
を抑制することができ、微細な結晶構造を有し、
機械的性質及び熱的性質の優れたジルコニア磁器
が得られることを見出した。 すなわち、本発明のジルコニア磁器の製造方法
は、平均粒径2μm以下のジルコニア粉末と、共
沈法により得られた一般式nMgO・(100−n)
ZrO2(nはモル%で15〜20)で表される平均粒径
2μm以下のジルコニア化合物粉末とをMgOの含
有率が7〜12mol%となるように混合し、成形し
た後、該成形体を焼成することを特徴とするもの
である。 本発明においてはジルコニア粉末とジルコニア
化合物粉末とを混合することが最も重要な要件で
あるが、MgOの含有率が7〜12mol%となるよ
うに混合すると規定したのは、MgOの含有率が
上記範囲を逸脱すると機械的性質及び熱的性質の
優れたジルコニア磁器が得られないためである。
なおMgOの含有率を上記範囲にするには、ジル
コニア化合物粉末中のMgOの含有率(nの値)
によつて異なるが、ジルコニア化合物粉末の混合
率を約30〜70wt%とすればよい。 本発明において、ジルコニア粉末及びジルコニ
ア化合物粉末の平均粒径を夫々2μm以下とした
のは、出発原料の平均粒径がこれらの値を超える
と焼結性が悪くなり、低温焼結ができないので、
結晶粒成長等によりジルコニア磁器の機械的性質
及び熱的性質が悪化するためである。 さらに、ジルコニア粉末及びジルコニア化合物
粉末の平均粒径が夫々1μm以下であることがよ
り好ましい(ここで、平均粒径とは2次粒子の平
均粒径をいう)。 本発明において焼成温度1500〜1700℃が適当で
ある。これは、1500℃未満では十分に焼結するこ
とができず、また、1700℃を超えると結晶粒成長
等によつてジルコニア磁器の機械的性質及び熱的
性質が悪化するためである。 なお、本発明において、出発原料中に不純物が
多く含まれると、ジルコニアとの反応により粒界
でのガラス層の形成等が起こり、焼結体の不均質
性を招き、機械的性質及び熱的性質を低下させる
ため、出発原料中の不純物含有率は0.5wt%以下
であることが望ましい。 以下、本発明の実施例を説明する。 第1表は実施例1〜13、参照例1〜3及び比較
例1〜7からなる。 下記第1表に示す平均粒径のジルコニア粉末
と、同表に示す平均粒径(0.8μm)の一般式
nMgO・(100−n)ZrO2で表わされる共沈法に
よつて得られたジルコニア化合物粉末とを同表に
示す混合率で配合し、混合粉を得た。混合粉中の
MgOの含有率をモル%で、不純物の含有率を重
量%で計算し、夫々同表に併記する。 次に得られた各混合粉に結合剤としてポリビニ
ルアルコールを混合し、造粒した後、2.0ton/cm2
で加圧成形した。 つづいて、各成形体を空気中において下記表に
示す温度で2時間焼成した後、冷却してジルコニ
ア磁器を得た。 得られたジルコニア磁器について曲げ強さ、破
壊靭性値(KIC)及び耐熱衝撃値(ΔTC)を測定
し同表に併記する。 なお、曲げ強度は矩形状焼結体を研摩仕上げし
て得た5×5×60mmの寸法の試験片について3点
曲げ試験によつて測定した。また、破壊靭性値
(KIC)はビツカース法により試験片に荷重30Kgで
圧痕を形成してこの圧痕末端から伸びるクラツク
長を測定し、Evansらにより提案された計算法に
より算出した。また、耐熱衝撃値(ΔTC)は所定
の各温度で熱処理後、水中投下による急冷強度測
定法により、曲げ強度値が50%低下したときの熱
処理温度を臨界熱衝撃温度ΔTC(℃)とした。 なお、下記第1表中参照例1〜3はMgOと
ZrO2粉末とを混合し、仮焼した合成原料を粉砕
し、この粉砕粉を焼成する従来の方法により得ら
れたジルコニア磁器に関する同様なデータであ
る。
The present invention relates to a method for producing zirconia porcelain having excellent mechanical and thermal properties. Conventionally, zirconia porcelain containing MgO as a stabilizer has been produced using ZrO2 electrofused raw materials containing MgO or MgO
and ZrO 2 powder, pulverize the calcined synthetic raw materials, and sinter the pulverized powder. However, by the above-mentioned method, it was not possible to obtain zirconia porcelain with excellent mechanical properties and thermal properties. The reasons for this can include the following. () MgO as a stabilizer has been known for a long time, but it has the drawback of lacking stability in the solid solution state in ZrO 2 . This is due to the incompatibility of the Mg 2+ ion radius. For this reason, in manufacturing zirconia porcelain by the above method, it is often difficult to incorporate a predetermined amount of MgO into solid solution, resulting in non-uniform crystal structure of the sintered body. Therefore, when used as a sensor, etc., it is difficult to obtain stable sensor output characteristics, and damage occurs due to thermal shock, etc., and the sensor life is limited. Furthermore, for the reasons mentioned above, it cannot be said that its mechanical strength is very strong, and it has almost never been used as a structural material. () In the above method, since the pulverized powder has poor sinterability, a large amount of sintering aid is added and firing is performed at high temperature. As a result, significant crystal grain growth occurs and the crystal structure is no longer fine, resulting in poor mechanical and thermal properties. In addition, attempts have been made to improve thermal shock resistance by introducing microcracks through partial stabilization, but as the grains grow, the microcracks increase and often become the source of cracks. This may have been a contributing factor. The present invention has been made in view of the above circumstances, and aims to provide a method for producing zirconia porcelain with excellent mechanical and thermal properties by homogenizing and refining the crystal structure. be. The present inventors first investigated various methods for stabilizing the solid solution state of MgO in the ZrO 2 lattice.
By mixing zirconia compound powder with MgO as a solid solution in ZrO 2 lattice at a predetermined ratio, MgO as a stabilizer is added, and this mixed powder is molded and fired to achieve almost satisfactory results. It has been found that zirconia porcelain having good mechanical and thermal properties can be obtained. This is considered to be because, according to the method described above, the solid solution state of MgO in the ZrO 2 lattice is stable and the crystal structure becomes homogeneous. However, even if only the above-mentioned method was adopted, zirconia porcelain with inferior mechanical properties and thermal properties could still be obtained. This is considered to be because the crystal structure of the obtained zirconia porcelain is not fine. Therefore, the present inventors further investigated cases where mechanical properties and thermal properties are poor, and found that the sintering temperature could be lowered by using small particle sizes with good sinterability as starting materials. It can suppress the growth of crystal grains and has a fine crystal structure.
It has been found that zirconia porcelain with excellent mechanical and thermal properties can be obtained. That is, the method for producing zirconia porcelain of the present invention uses zirconia powder with an average particle size of 2 μm or less and a compound with the general formula nMgO (100-n) obtained by a coprecipitation method.
Average particle size expressed in ZrO 2 (n is 15 to 20 in mol%)
The method is characterized in that it is mixed with a zirconia compound powder of 2 μm or less so that the MgO content becomes 7 to 12 mol %, molded, and then fired. In the present invention, the most important requirement is to mix zirconia powder and zirconia compound powder, but the reason for specifying that they be mixed so that the MgO content is 7 to 12 mol% is because the MgO content is above This is because if it deviates from this range, zirconia porcelain with excellent mechanical and thermal properties cannot be obtained.
In addition, in order to keep the MgO content within the above range, the MgO content (value of n) in the zirconia compound powder should be adjusted.
The mixing ratio of the zirconia compound powder may be about 30 to 70 wt%, although it varies depending on the material. In the present invention, the average particle size of the zirconia powder and the zirconia compound powder is set to 2 μm or less, respectively, because if the average particle size of the starting raw material exceeds these values, sinterability will deteriorate and low-temperature sintering will not be possible.
This is because the mechanical properties and thermal properties of zirconia porcelain deteriorate due to crystal grain growth and the like. Furthermore, it is more preferable that the average particle size of each of the zirconia powder and the zirconia compound powder is 1 μm or less (here, the average particle size refers to the average particle size of secondary particles). In the present invention, a firing temperature of 1500 to 1700°C is appropriate. This is because at temperatures below 1500°C, sufficient sintering cannot be achieved, and at temperatures above 1700°C, the mechanical and thermal properties of zirconia porcelain deteriorate due to crystal grain growth and the like. In the present invention, if a large amount of impurities is contained in the starting material, the reaction with zirconia will cause the formation of a glass layer at the grain boundaries, leading to non-uniformity of the sintered body, and resulting in poor mechanical properties and thermal properties. In order to reduce the properties, it is desirable that the content of impurities in the starting materials is 0.5 wt% or less. Examples of the present invention will be described below. Table 1 consists of Examples 1-13, Reference Examples 1-3, and Comparative Examples 1-7. Zirconia powder with the average particle size shown in Table 1 below and the general formula of the average particle size (0.8 μm) shown in the same table
A mixed powder was obtained by blending with a zirconia compound powder expressed by nMgO.(100-n)ZrO 2 obtained by a coprecipitation method at the mixing ratio shown in the same table. in mixed powder
The MgO content is calculated in mol%, and the impurity content is calculated in weight%, and these are also listed in the same table. Next, polyvinyl alcohol was mixed as a binder to each of the obtained mixed powders, and after granulation, 2.0ton/cm 2
Pressure molded. Subsequently, each molded body was fired in air at the temperature shown in the table below for 2 hours, and then cooled to obtain zirconia porcelain. The bending strength, fracture toughness value (K IC ), and thermal shock resistance value (ΔT C ) of the obtained zirconia porcelain were measured and are also listed in the same table. The bending strength was measured by a three-point bending test on a test piece with dimensions of 5 x 5 x 60 mm obtained by polishing a rectangular sintered body. Furthermore, the fracture toughness value (K IC ) was calculated by forming an indentation on a test piece using the Vickers method under a load of 30 kg, measuring the crack length extending from the end of the indentation, and using the calculation method proposed by Evans et al. In addition, thermal shock resistance value (ΔT C ) is determined by the rapid cooling strength measurement method by dropping into water after heat treatment at each predetermined temperature, and the heat treatment temperature at which the bending strength value decreases by 50% is defined as critical thermal shock temperature ΔT C (℃) did. In addition, Reference Examples 1 to 3 in Table 1 below are MgO and
This is similar data regarding zirconia porcelain obtained by the conventional method of mixing ZrO 2 powder, pulverizing a calcined synthetic raw material, and firing the pulverized powder.

【表】 上記表から明らかなように、比較例1、2、
6、7のジルコニア磁器はいずれもジルコニア粉
末とジルコニア化合物粉末との混合粉中のMgO
含有率が本発明方法の範囲外であるので、機械的
性質及び熱的性質が劣る。また、比較例3〜5の
ジルコニア磁器はジルコニア粉末の平均粒径が本
発明方法の範囲外であるので機械的性質及び熱的
性質が劣る。これに対して実施例1〜13のジルコ
ニア磁器はいずれも従来の方法により製造された
ジルコニア磁器(参照例1〜3)と比較して非常
に優れた機械的性質及び熱的性質を示した。 なお、実施例3、6及び9のジルコニア磁器は
不純物の含有率が多いので若干機械的性質及び熱
的性質が戻るが十分実用に耐え得るものであつ
た。 以上詳述した如く、本発明によれば機械的性質
及び熱的性質に優れたジルコニア磁器を製造し得
る方法を提供できるものである。
[Table] As is clear from the table above, Comparative Examples 1, 2,
Both zirconia porcelains No. 6 and 7 contain MgO in the mixed powder of zirconia powder and zirconia compound powder.
Since the content is outside the range of the method of the invention, the mechanical and thermal properties are poor. In addition, the zirconia porcelains of Comparative Examples 3 to 5 have poor mechanical properties and thermal properties because the average particle size of the zirconia powder is outside the range of the method of the present invention. On the other hand, the zirconia porcelains of Examples 1 to 13 all exhibited very superior mechanical and thermal properties compared to the zirconia porcelains produced by conventional methods (Reference Examples 1 to 3). Note that the zirconia porcelains of Examples 3, 6, and 9 had a high content of impurities, so the mechanical properties and thermal properties slightly returned, but they were sufficiently durable for practical use. As detailed above, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing zirconia porcelain having excellent mechanical properties and thermal properties.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 平均粒径2μm以下の主として単斜晶からな
るジルコニア粉末と、共沈法によつて得られた一
般式nMgO・(100−n)ZrO2(nはモル%で15〜
20)で表される平均粒径2μm以下のジルコニア
化合物粉末とをMgOの含有率が7〜12mol%と
なるように混合し、成形した後、該成形体を1500
〜1700℃で焼成することを特徴とするジルコニア
磁器の製造方法。
1 Zirconia powder mainly composed of monoclinic crystals with an average particle size of 2 μm or less and a general formula nMgO・(100−n)ZrO 2 (n is 15 to 15% by mole) obtained by coprecipitation method.
20) with an average particle diameter of 2 μm or less so that the MgO content is 7 to 12 mol%, and after molding, the molded body was
A method for producing zirconia porcelain characterized by firing at ~1700°C.
JP57213596A 1982-12-06 1982-12-06 Manufacture of zirconia ceramics Granted JPS59107968A (en)

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