JPH0478581B2 - - Google Patents

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JPH0478581B2
JPH0478581B2 JP63172083A JP17208388A JPH0478581B2 JP H0478581 B2 JPH0478581 B2 JP H0478581B2 JP 63172083 A JP63172083 A JP 63172083A JP 17208388 A JP17208388 A JP 17208388A JP H0478581 B2 JPH0478581 B2 JP H0478581B2
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JP
Japan
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zirconia
pressure sintering
zirconia ceramics
strength
powder
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JP63172083A
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English (en)
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JPH0222170A (ja
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Muneyuki Iwabuchi
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野) 本発明は高強度ジルコニアセラミツクスの製造
法に関する。 (従来の技術) イツトリアを主体とする安定化剤を1.5〜5mol
%含有するジルコニアセラミツクスは部分安定化
ジルコニア(PSZ)セラミツクスと称され、高強
度のジルコニアセラミツクスとして機械構造材料
としての用途開発がなされている。しかしなが
ら、上記した部分安定化ジルコニアセラミツクス
はかならずしも十分な曲げ強度を持つていないこ
とから、同セラミツクスよりさらに曲げ強度の高
い高強度ジルコニアセラミツクスの製造法が特開
昭60−226457号公報に示されている。 しかして、同公報に示された製造法は、特定の
平均1次粒子径の原料微粉末を等方加圧焼結また
は一軸加圧焼結する方法である。かかる製造法に
おいては、Y2O3を主体とする安定化剤を1.5〜
5mol%含有するZrO2中にAl2O3およびMgOが混
在するセラミツクスが一例として示されている。 一般に、ジルコニアセラミツクスは高温領域か
ら常温領域へいくにつれて、立方晶から正方晶を
経て単斜晶へと体積変化を伴いながら相転移す
る。この際、特に正方晶から単斜晶への相転移時
の体積変化が大きく、これによりジルコニアセラ
ミツクスは破壊されやすいという問題がある。か
かる問題に対処する手段として、ZrO2にCaO,
MgO,Y2O3等の安定化剤を固溶させて相転移を
抑制する手段が知られている。現在、安定化剤と
しては主としてY2O3が用いられ、常温領域にお
いて正方晶を主体とする高強度、高靱性の部分安
定ジルコニアセラミツクスが生成されている。し
かしながら、かかる部分安定化ジルコニアセラミ
ツクスは準安定相であつて経時変化を生じやす
く、200〜400℃という比較的低い加熱により単斜
晶へ相転移し強度が経時的に劣化し、熱安定性に
欠けるものである。 また、強度および熱安定性を向上すべく意図し
たジルコニアセラミツクスとしてZrO2中にY2O3
およびAl2O3を混在させてなるものが特開昭58−
32066号公報に、さらにY2O3,CeO2およびAl2O3
を混在させてなるものが特開昭61−77665号公報
に示されている。 ところで、特開昭60−226457号公報において
は、Al2O3およびMgOを混合させることについて
の開示にとどまり、これら両酸化物の混合比につ
いての詳細な検討についてはなされていない。ま
た熱安定性の要因の一つとして部分安定化ジルコ
ニアセラミツクスを製造する際の焼成温度があ
る。熱安定性は焼成温度が高いほど低下し、焼成
温度が低いほど向上する。しかしながら、同公報
に示された製造法における焼成温度は1300〜1700
℃と比較的高く、熱安定性はかならずしも十分な
ものとはいえない。一方、特開昭58−32066号公
報および特開昭61−77665号公報に示されたジル
コニアセラミツクスのうち前者のジルコニアセラ
ミツクスにおいては強度は高いものの熱安定性が
十分でなく、後者のジルコニアセラミツクスにお
いてはこれとは逆に熱安定性は高いものの強度が
十分ではないという問題がある。 本発明者はAl2O3,MgO両酸化物の混合比に着
目して検討したところ、これら両酸化物の混合比
が特にジルコニアセラミツクスの強度に大きな影
響を及ぼし、同混合比が所定の範囲から外れる場
合には部分安定化ジルコニアセラミツクスの強度
を増加し得ないことを知得し、特にこれら両酸化
物の混合比を特定することにより、高強度かる高
耐酸性で熱安定性に優れたジルコニアセラミツク
スを得ている。当該ジルコニアセラミツクスは、
安定化剤としてイツトリアを5mol%以下の範囲
で含有するジルコニア焼結体中に同焼結体を基準
としてアルミニウム系成分およびマグネシウム系
成分が酸化物換算で1〜30wt%混在し、かつこ
れら両成分の混合モル比が酸化物換算で下記(a)〜
(c)のいずれかの範囲にあるものであり、本出願人
は特願昭62−201315号(特公平3−7623)出願と
してすでに出願している。 (a):35〜45/65〜55 (b):60〜75/40〜25 (c):85〜99/15〜1 (発明が解決しようとする課題) 当該ジルコニアセラミツクスは多くの構造材料
の分野において十分な強度、熱安定性を備えてい
るが、本発明の目的はその製造法に着目し、さら
に熱安定性、耐酸性に優れた高強度のジルコニア
セラミツクスを製造しようとするものである。 (課題を解決するための手段) 本発明は上記した先願に係るジルコニアセラミ
ツクスの製造法であり、当該ジルコニアセラミツ
クス原料の混合粉体または予備成形体を温度1100
℃〜1400℃で等方加圧焼結または一軸加圧焼結す
ることを特徴とするものである。 本発明におけるジルコニアセラミツクスの原料
の調合には、アルミナーマグネシア系酸化物粉末
(スピネル系粉末)をジルコニア粉末に混合する
方法、アルミナおよびマグネシヤの各粉末をジル
コニア粉末に混合する方法、ジルコニウム、イツ
トリウム、セリウム、アルミニウム、マグネシウ
ム等のイオンを含む水溶液を用いて湿式混合法に
よつて粉末を得る方法等いずれの方法も採用する
ことができる。好ましくは下記の2つの方法によ
り行われる。第1の方法はZrO2−Y2O3混合粉
末、ZrO2−Y2O3−CeO2混合粉末にAl2O3−MgO
の混合粉末または混合塩水溶液を添加する方法、
第2の方法はZrO2−Y2O3−Al2O3混合粉末、
ZrO2−Y2O3−CeO2−Al2O3混合粉末にMgO粉末
または塩水溶液を添加する方法である。これらの
調合方法において、ZrO2−Y2O3,ZrO2−Y2O3
−CeO2,ZrO2−Y2O3−Al2O3,ZrO2−Y2O3
CeO2−Al2O3,Al2O3はそれぞれの粉末の混合物
であつてもよく、混合塩水溶液から加水分解、仮
焼して得られる混合粉末であつてもよく、混合粉
末を仮焼してえられる混合粉末であつてもよい。
これらのセラミツクス原料は粉体の状態でまたは
予備成形体の状態でホツトアイソスタテイツクプ
レス、ホツトプレスにて加圧焼結する。 なお、ジルコニア原料中にはハフニア(HfO2
が不可避的に0.5〜3.0wt%混在するが、本発明の
製造法にて得られるジルコニアセラミツクスにお
いてはZrO2の一部をHfO2に置換しても同様の特
性を示すものである。また、ジルコニアセラミツ
クスには下記に示す不純物を混在していてもよ
い。 SiO2:2wt%以下 TiO2:2wt%以下 CaO:0.5wt%以下 K2O:0.5wt%以下 Na2O:0.5wt%以下 HfO2:5wt%以下 (発明の作用・効果) 本発明の製造法によれば、後述する各表の常圧
焼結、等方加圧焼結(HIP)、一軸加圧焼結
(HP)の結果を参照すれば明らかなように、極
めて高い強度のジルコニアセラミツクスが得られ
る。この場合、焼結温度が1100℃〜1400℃と比較
的低いため、熱安定性および耐酸性にも優れてい
る。 (実施例1) 原料調合 塩水溶液から加水分解法により得られたZrO2
−Y2O3共沈物を900℃にて仮焼し、粒径1μm以下
のジルコニア混合粉末を得た。この混合粉末に
Al2O3粉末、MgO粉末を添加してポツトミルで解
砕混合し、噴霧乾燥して出発原料とした。 試料の作製 得られた各種の出発原料を用いてこれらを200
Kg/cm2の圧力で予備成形し、次いでラバープレス
法にて3ton/cm2で圧力で成形して60×60×8(mm)
の各種の角板を得た。これらの角板を1000℃〜
1500℃で5時間常圧焼結法、等方加圧焼結法(圧
力2ton/cm2)にて焼成し、試料とした。 試 験 (1) 曲げ強度試験:JIS−R1601、4点曲げ強さ
の試験法に基づく(Kgf/mm2)。但し、試料は
3×4×40(mm)、クロスヘツドスピード0.5
mm/min、上部スパン10mm、下部スパン30mm。 (2) 耐酸性:試験片および36wt%HCI溶液を密
封容器に入れ、150℃で200時間放置したときの
重量を測定し、単位面積当たりの重量減を算出
(mg/cm2)して各試験片の試験結果を第1表に
示す。但し、等方加圧焼結(HIP)法を採用し
たものは上記試験によつては変化が認められな
かつたので、処理時間を500時間としている。 (3) 熱劣化試験:特開昭60−350号公報に開示さ
れた「セラミツクスの試験方法」に基づき、試
料をオートクレーブ内の熱水中(熱水温度250
℃、オートクレーブ内蒸気圧約39Kg/cm2)で50
時間熱処理し、下記の方法により試験中におけ
る正方晶および立方晶の単斜晶への転移率
(%)を算出する。 試料を予めダイヤモンドペーストにて鏡面研磨
してX線回析し、単斜晶の(111)面の回析ピー
クの積分強度IMに対し正方晶の(111)面と立方
晶の(111)面の回析ピークの積分強度との和
(IT+IC)から正方晶および立方晶量(V0)を
V0=(IT+IC)/(IM+IT+IC)により算出す
る。 また、熱処理後の試料をX線回析に付して上記
と同様に正方晶および立方晶量(V1)を算出し、
これらV0,V1から転移率(%)=(V0−V1)=/
V0×100を算出する。但し、等方加圧焼結
(HIP)法を採用したものは上記試験によつては
変化が認められなかつたので、熱処理時間を500
時間とした。以上の各試験結果を第1表に示す。 (実施例2) 原料調合 塩水溶液から加水分解法により得られたZrO2
−Y2O3−CeO2共沈物を熱処理し、粒径1μm以下
のジルコニア混合粉末を得た。この混合粉末に
Al2O3粉末およびMgO粉末を添加してポツトミル
で解砕混合し、これを噴霧乾燥して出発原料とし
た。試料の作製は実施例1と同様に行い、同実施
例と同様の試験を行つて第2表に示す結果を得
た。 (実施例3) 原料調合 アルミニウム系成分、マグネシウム系成分を含
む化合物としてAl(OH)3,AlCl3,Al(NO33
Mg(OH)2,MgCl2,Mg(NO32を用い、これら
の化合物を実施例1,2の方法にて得たZrO2
Y2O3,ZrO2−Y2O3−CeO2の各粉末に、セラミ
ツクス中の上記各成分がAl2O3,MgO換算で特定
の値となるように添加し混合する。得られた混合
物を700℃〜1000℃にて熱処理し、ポツトミルで
解砕混合し、噴霧乾燥して出発原料とした。試料
の作製は上記実施例と同様に行い、同実施例と同
様の試験を行つて第3表の結果を得た。 (実施例4) 試料の作製において、角板を1000℃〜1500℃で
一軸加圧焼結法(圧力500Kg/cm2)にて焼成した
点を除き、原料調合および試験を実施例1,2と
同様に行つて第4表の結果を得た。 (考察) 各表の常圧焼結、等方加圧焼結(HIP)、一軸
加圧焼結(HP)の欄を参照すると、等方加圧焼
結および一軸加圧焼結の物は常圧焼結のものに比
較して強度が著しく向上している。また、焼成温
度については温度が高いほど強度が向上するが、
耐酸性および熱安定性の低下を考慮すると1300℃
を中心とする温度、特に1100℃〜1400℃が最適の
範囲である。また、耐熱性および耐酸性について
は、常圧焼結の物の試験条件によつては等方加圧
焼結、一軸加圧焼結の物は変化が認められず、上
記試験条件により過酷な条件によつて各表に示す
変化が認められる。従つて、耐熱性および耐酸性
にも極めて優れている。
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 安定化剤としてイツトリアを5mol%以下の
    範囲で含有するジルコニア焼結体中に同焼結体を
    基準としてアルミニウム系成分およびマグネシウ
    ム系成分が酸化物換算で合せて1〜30wt%混在
    し、かつこれら両成分の混合モル比が酸化物換算
    で下記(a)〜(c)のいずれかの範囲にある高強度ジル
    コニアセラミツクスの製造法であり、当該セラミ
    ツクス原料の混合粉体または予備成形体を温度
    1100℃〜1400℃で等方加圧焼結または一軸加圧焼
    結することを特徴とする高強度ジルコニアセラミ
    ツクスの製造法。 (a):35〜45/65〜55 (b):60〜75/40〜25 (c):85〜99/15〜1
JP63172083A 1988-07-11 1988-07-11 高強度ジルコニアセラミックスの製造法 Granted JPH0222170A (ja)

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