JPH10167802A - Ceramic sintered compact and its production - Google Patents
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Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、セラミック焼結
体及びその製造方法に関する。The present invention relates to a ceramic sintered body and a method for producing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、母結晶用セラミックスに固溶
用固体が固溶されたセラミック焼結体が知られており、
このようなセラミック焼結体としては、例えば、母結晶
を形成するAl2O3に所定量のCr2O3を固溶させたも
の等がある。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a ceramic sintered body in which a solid solution solid is dissolved in a mother crystal ceramic.
As such a ceramic sintered body, for example, there is a ceramic in which a predetermined amount of Cr 2 O 3 is dissolved in Al 2 O 3 forming a mother crystal.
【0003】前記Al2O3とCr2O3は、高温では組成
の全域で完全に固溶することが報告されている(例え
ば、R.M.Spriggs and S.L.Bender, J.Am.Ceram.Soc.,53
(1962)p506 等)。これらAl2O3とCr2O3はいずれ
もコランダム構造を有し、しかもイオン半径がAl3+で
は0.53Å、Cr3+では0.62Åと比較的近接して
いるため、置換型固溶体を形成する。It has been reported that Al 2 O 3 and Cr 2 O 3 completely dissolve in the entire composition at high temperatures (for example, RMS Priggs and SLBender, J. Am. Ceram. Soc., 53).
(1962) p506). Since both Al 2 O 3 and Cr 2 O 3 have a corundum structure, and their ionic radii are relatively close to 0.53 ° for Al 3+ and 0.62 ° for Cr 3+ , the substitution-type solid solution To form
【0004】ここで、前記Al2O3に微量のCr2O3を
固溶させるとAl2O3が硬化されることが知られてお
り、このようなセラミック焼結体は研摩材として利用さ
れている。[0004] use wherein the Al 2 O 3 is known to when the solid solution of Cr 2 O 3 traces Al 2 O 3 is cured, such ceramic sintered as an abrasive Have been.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような母結晶用セラミックスに微量の固溶用固体を固溶
させたセラミック焼結体においては、機械的性質につい
ての研究は充分に行われておらず、硬度の上昇のメカニ
ズムも解明されていなかった。そのため、前記セラミッ
ク焼結体の構造材料等としての応用範囲が制限されてい
るという問題点がある。However, in a ceramic sintered body obtained by dissolving a small amount of a solid for solid solution in a ceramic for a mother crystal as described above, studies on mechanical properties have been sufficiently conducted. No, the mechanism of the increase in hardness has not been elucidated. Therefore, there is a problem that the range of application of the ceramic sintered body as a structural material or the like is limited.
【0006】この発明は、以上のような事情や問題点に
鑑みてなされたものであり、構造材料等としての応用範
囲が広いセラミック焼結体及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances and problems, and has as its object to provide a ceramic sintered body having a wide range of applications as a structural material and the like, and a method of manufacturing the same.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項1のセラミック焼結体の手段とするところは、
母結晶用セラミックスに固溶用固体が固溶されたセラミ
ック焼結体において、前記固溶用固体の固溶される構成
元素の総量を、前記母結晶用セラミックスの所定の構成
元素に対して2at%以下とすることによって、母結晶
中に互いに干渉しない複数のクラスターを形成、分散さ
せたことにある。Means for solving the problems The means for the ceramic sintered body of claim 1 for achieving the above object is as follows.
In a ceramic sintered body in which a solid solution solid is solid-dissolved in a ceramic for a mother crystal, the total amount of constituent elements of the solid solution for a solid solution is set to 2 atm for a predetermined constituent element of the ceramic for a mother crystal. % Or less, a plurality of clusters that do not interfere with each other are formed and dispersed in the mother crystal.
【0008】請求項2の手段とするところは、前記固溶
が置換型固溶のみであることにある。[0008] The means of claim 2 is that the solid solution is only a substitution type solid solution.
【0009】請求項3の手段とするところは、前記母結
晶用セラミックスと固溶用固体が共に酸化物系セラミッ
クスであることにある。According to a third aspect of the present invention, both the mother crystal ceramic and the solid solution solid are oxide ceramics.
【0010】請求項4の手段とするところは、前記母結
晶用セラミックスが酸化物系セラミックスであると共
に、前記固溶用固体が非酸化物系セラミックスであるこ
とにある。According to a fourth aspect of the present invention, the ceramic for a mother crystal is an oxide ceramic and the solid for solid solution is a non-oxide ceramic.
【0011】請求項5の手段とするところは、前記母結
晶用セラミックスが非酸化物系セラミックスであると共
に、前記固溶用固体が少なくとも酸化物系セラミックス
を含むことにある。According to a fifth aspect of the present invention, the ceramic for the mother crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution contains at least an oxide ceramic.
【0012】請求項6の手段とするところは、前記母結
晶用セラミックスが非酸化物系セラミックスであると共
に、前記固溶用固体が非酸化物系セラミックス及び/又
は金属間化合物を含むことにある。According to a sixth aspect of the present invention, the ceramic for a mother crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution contains a non-oxide ceramic and / or an intermetallic compound. .
【0013】請求項7の手段とするところは、前記母結
晶用セラミックスが組成式Al2O3で表されることにあ
る。According to a seventh aspect of the present invention, the ceramic for a mother crystal is represented by a composition formula Al 2 O 3 .
【0014】請求項8の手段とするところは、前記固溶
用固体が組成式Cr2O3で表されることにある。According to an eighth aspect of the present invention, the solid solution solid is represented by a composition formula Cr 2 O 3 .
【0015】請求項9のセラミック焼結体の製造方法の
手段とするところは、母結晶用セラミックスと固溶用固
体を所定の割合で混合した粉末状混合物を焼結し、前記
母結晶用セラミックスに固溶用固体を固溶させるセラミ
ック焼結体の製造方法において、前記固溶用固体の混合
割合を、該固溶用固体の固溶される構成元素の総量が前
記母結晶用セラミックスの所定の構成元素に対して2a
t%以下となるようにすることによって、母結晶中に互
いに干渉しない複数のクラスターを形成、分散させるこ
とにある。According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a ceramic sintered body, comprising: sintering a powder mixture obtained by mixing a ceramic for a mother crystal and a solid for solid solution at a predetermined ratio; In the method for manufacturing a ceramic sintered body in which a solid solution solid is dissolved, a mixing ratio of the solid solution solid is adjusted by adjusting a total amount of constituent elements of the solid solution solid to be a predetermined amount of the mother crystal ceramic. 2a for the constituent elements of
An object of the present invention is to form and disperse a plurality of clusters in the mother crystal that do not interfere with each other by controlling the content to be t% or less.
【0016】請求項10の手段とするところは、前記粉
末状混合物が、母結晶用セラミックス粉末と固溶用固体
粉末をメカニカルミリングにより攪拌、混合したもので
あることにある。According to a tenth aspect of the present invention, the powder mixture is obtained by stirring and mixing ceramic powder for a mother crystal and solid powder for a solid solution by mechanical milling.
【0017】請求項11の手段とするところは、前記粉
末状混合物が、母結晶用セラミックス粉末と固溶用固体
ゾルをメカニカルミリングにより攪拌、混合したもので
あることにある。According to the eleventh aspect, the powdery mixture is obtained by stirring and mixing a ceramic powder for a mother crystal and a solid sol for a solid solution by mechanical milling.
【0018】請求項12の手段とするところは、前記粉
末状混合物が、母結晶用セラミックス粉末の調製途中で
固溶用固体をあらかじめ混合したものであることにあ
る。According to a twelfth aspect of the present invention, the powdery mixture is obtained by previously mixing a solid solution solid during preparation of the mother crystal ceramic powder.
【0019】請求項13の手段とするところは、前記固
溶が置換型固溶のみであることにある。A thirteenth aspect of the present invention resides in that the solid solution is only a substitution type solid solution.
【0020】請求項14の手段とするところは、前記母
結晶用セラミックスと固溶用固体が共に酸化物系セラミ
ックスであることにある。According to a fourteenth aspect, both the mother crystal ceramic and the solid solution solid are oxide ceramics.
【0021】請求項15の手段とするところは、前記母
結晶用セラミックスが酸化物系セラミックスであると共
に、前記固溶用固体が非酸化物系セラミックスであるこ
とにある。According to a fifteenth aspect, the ceramic for the mother crystal is an oxide ceramic and the solid for solid solution is a non-oxide ceramic.
【0022】請求項16の手段とするところは、前記母
結晶用セラミックスが非酸化物系セラミックスであると
共に、前記固溶用固体が少なくとも酸化物系セラミック
スを含むことにある。According to a sixteenth aspect of the present invention, the ceramic for a mother crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution contains at least an oxide ceramic.
【0023】請求項17の手段とするところは、前記母
結晶用セラミックスが非酸化物系セラミックスであると
共に、前記固溶用固体が非酸化物系セラミックス及び/
又は金属間化合物を含むことにある。According to a seventeenth aspect of the present invention, the ceramic for a mother crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution is a non-oxide ceramic and / or a non-oxide ceramic.
Or it may contain an intermetallic compound.
【0024】請求項18の手段とするところは、前記母
結晶用セラミックスが組成式Al2O3で表されることに
ある。The means of claim 18 is that the ceramic for a mother crystal is represented by a composition formula Al 2 O 3 .
【0025】請求項19の手段とするところは、前記固
溶用固体が組成式Cr2O3で表されることにある。According to a nineteenth aspect, the solid solution solid is represented by a composition formula Cr 2 O 3 .
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て説明する。この実施形態に係るセラミック焼結体は、
母結晶用セラミックスに固溶用固体が固溶されたセラミ
ック焼結体において、前記固溶用固体の固溶される構成
元素の総量を、前記母結晶用セラミックスの所定の構成
元素に対して2at%以下とすることによって、母結晶
中に互いに干渉しない複数のクラスターを形成、分散さ
せたものである。Embodiments of the present invention will be described below. The ceramic sintered body according to this embodiment is:
In a ceramic sintered body in which a solid solution solid is solid-dissolved in a ceramic for a mother crystal, the total amount of constituent elements of the solid solution for a solid solution is set to 2 atm for a predetermined constituent element of the ceramic for a mother crystal. % Or less, a plurality of clusters that do not interfere with each other are formed and dispersed in the mother crystal.
【0027】前記母結晶用セラミックスとしては、酸化
物系セラミックス又は非酸化物系セラミックスを使用で
きる。前記酸化物系セラミックスとしては、例えば、A
l2O3、MgO、BaTiO3、Y2O3等が挙げられ
る。前記非酸化物系セラミックスとしては、例えば、S
i3N4等の窒化物系セラミックス、SiC等の炭化物系
セラミックス、TiB2等のホウ化物系セラミックス、
MoSi2等のケイ化物系セラミックス等が挙げられ
る。As the ceramic for the mother crystal, an oxide ceramic or a non-oxide ceramic can be used. As the oxide ceramics, for example, A
l 2 O 3 , MgO, BaTiO 3 , Y 2 O 3 and the like. Examples of the non-oxide ceramics include S
nitride ceramics such as i 3 N 4 , carbide ceramics such as SiC, boride ceramics such as TiB 2 ,
Silicide-based ceramics such as MoSi 2 may be used.
【0028】前記固溶用固体としては、酸化物系セラミ
ックス、非酸化物系セラミックス、若しくは金属間化合
物、又は酸化物系セラミックスと非酸化物系セラミック
スを含むもの、あるいは、非酸化物系セラミックスと金
属間化合物を含むもの等を使用できる。前記酸化物系セ
ラミックスとしては、例えば、Cr2O3、Al2O3、Z
rO2、Na2O、SiO2等が挙げられる。前記非酸化
物系セラミックスとしては、例えば、AlN、Zr
B2、WSi2等が挙げられる。前記金属間化合物として
は、例えば、MoAl2等が挙げられる。Examples of the solid solution solid include oxide ceramics, non-oxide ceramics, intermetallic compounds, oxide ceramics and non-oxide ceramics, or non-oxide ceramics. Those containing an intermetallic compound can be used. Examples of the oxide ceramics include Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , Z
rO 2 , Na 2 O, SiO 2 and the like. As the non-oxide ceramics, for example, AlN, Zr
B 2 , WSi 2 and the like. Examples of the intermetallic compound include MoAl 2 and the like.
【0029】前記母結晶用セラミックスと固溶用固体の
組合せとしては、種々の組合せが可能であり、母結晶用
セラミックスをA、固溶用固体をBとして得られるセラ
ミック焼結体をA−Bのように表すと、例えば、Al2
O3−Cr2O3、MgO−Al 2O3、BaTiO3−Zr
O2、Y2O3−ZrO2、Al2O3−Na2O、Al2O3
−AlN、Si3N4−SiO2、SiC−(Al2O3,
AlN)、Si3N4−(Al2O3,AlN)、TiB2
−ZrB2、MoSi2−WSi2、MoSi2−MoAl
2、MoSi2−(WSi2,MoAl2)等が挙げられ
る。The ceramic for the mother crystal and the solid for solid solution
Various combinations are possible for the mother crystal.
A ceramic obtained as A for ceramics and B for solid solution
When the Mick sintered body is represented as AB, for example, AlTwo
OThree−CrTwoOThree, MgO-Al TwoOThree, BaTiOThree-Zr
OTwo, YTwoOThree-ZrOTwo, AlTwoOThree-NaTwoO, AlTwoOThree
-AlN, SiThreeNFour-SiOTwo, SiC- (AlTwoOThree,
AlN), SiThreeNFour− (AlTwoOThree, AlN), TiBTwo
-ZrBTwo, MoSiTwo-WSiTwo, MoSiTwo-MoAl
Two, MoSiTwo− (WSiTwo, MoAlTwo) Etc.
You.
【0030】前記固溶の型としては、置換型固溶、侵入
型固溶、又は侵入型固溶を伴う置換型固溶がある。Examples of the type of solid solution include substitutional solid solution, interstitial solid solution, and substitutional solid solution accompanied by interstitial solid solution.
【0031】前記置換型固溶は、例えば、Al2O3−C
r2O3、Al2O3−AlN、Si3N4−SiO2、Si
C−(Al2O3,AlN)、Si3N4−(Al2O3,A
lN)、TiB2−ZrB2、MoSi2−WSi2、Mo
Si2−MoAl2、MoSi 2−(WSi2,MoA
l2)等で起こる。The substitutional solid solution is, for example, AlTwoOThree-C
rTwoOThree, AlTwoOThree-AlN, SiThreeNFour-SiOTwo, Si
C- (AlTwoOThree, AlN), SiThreeNFour− (AlTwoOThree, A
1N), TiBTwo-ZrBTwo, MoSiTwo-WSiTwo, Mo
SiTwo-MoAlTwo, MoSi Two− (WSiTwo, MoA
lTwo) Etc.
【0032】即ち、Al2O3−Cr2O3の場合には、所
定量のAlサイトがCrで置換される。Al2O3−Al
Nの場合には、OサイトがNで置換される。Si3N4−
SiO2の場合には、NサイトがOで置換される。Si
C−(Al2O3,AlN)の場合には、SiサイトがA
lで、CサイトがO及び/又はNでそれぞれ置換され
る。Si3N4−(Al2O3,AlN)の場合には、Si
サイトがAlで、NサイトがOでそれぞれ置換される。
TiB2−ZrB2の場合には、TiサイトがZrで置換
される。MoSi2−WSi2の場合には、Moサイトが
Wで置換される。MoSi2−MoAl2の場合には、S
iサイトがAlで置換される。MoSi2−(WSi2,
MoAl2)の場合には、MoサイトがWで、Siサイ
トがAlでそれぞれ置換される。That is, in the case of Al 2 O 3 —Cr 2 O 3 , a predetermined amount of Al sites is replaced with Cr. Al 2 O 3 -Al
In the case of N, the O site is replaced with N. Si 3 N 4 −
In the case of SiO 2 , the N site is replaced with O. Si
In the case of C- (Al 2 O 3 , AlN), the Si site is A
At 1, the C site is replaced with O and / or N, respectively. Si 3 N 4 - in the case of (Al 2 O 3, AlN) is, Si
The site is replaced by Al and the N site is replaced by O.
In the case of TiB 2 -ZrB 2 , the Ti site is replaced with Zr. In the case of MoSi 2 —WSi 2 , the Mo site is replaced with W. In the case of MoSi 2 -MoAl 2 , S
The i site is replaced with Al. MoSi 2 − (WSi 2 ,
In the case of MoAl 2 ), the Mo site is replaced by W and the Si site is replaced by Al.
【0033】前記侵入型固溶は、例えば、Al2O3−N
a2O等で起こる。即ち、この場合、母結晶の格子間に
Na+ が侵入する。The interstitial solid solution is, for example, Al 2 O 3 —N
Occurs in a 2 O and the like. That is, in this case, Na + penetrates between lattices of the mother crystal.
【0034】前記侵入型固溶を伴う置換型固溶は、例え
ば、MgO−Al2O3、BaTiO 3−ZrO2、Y2O3
−ZrO2等で起こる。即ち、Y2O3−ZrO2の場合に
は、YサイトがZrで置換され、つまりY3+がZr4+で
置換されるので、電気的中性を保持するために母結晶の
格子間にO2-が侵入する。MgO−Al2O3やBaTi
O3−ZrO2の場合についても同様である。The substitutional solid solution accompanied by the interstitial solid solution is, for example,
For example, MgO-AlTwoOThree, BaTiO Three-ZrOTwo, YTwoOThree
-ZrOTwoAnd so on. That is, YTwoOThree-ZrOTwoIn the case of
Means that the Y site is replaced with Zr,3+Is Zr4+so
Is replaced, so that the mother crystal
O between lattices2-Invades. MgO-AlTwoOThreeAnd BaTi
OThree-ZrOTwoThe same applies to the case of.
【0035】前記固溶用固体の固溶される構成元素は、
置換型固溶により前記母結晶用セラミックスのいずれか
の構成元素を置換するものや、侵入型固溶により母結晶
の格子間に侵入するものである。従って、その総量は、
置換型固溶される構成元素と侵入型固溶される構成元素
のいずれか又は両方を合わせたものである。例えば、上
記のSi3N4−(Al2O3,AlN)のように、Siサ
イトとNサイトの両方が固溶用固体の構成元素でそれぞ
れ置換される場合には、前記総量は、これら置換型固溶
される固溶用固体のそれぞれの構成元素の量を合わせた
ものとなる。また、上記のY2O3−ZrO2のように、
Y3+がZr4+で置換されると共に、母結晶の格子間にO
2-が侵入する侵入型固溶を伴う置換型固溶の場合には、
前記総量は、固溶用固体の固溶される構成元素であるZ
r4+とO2-を合わせたものとなる。The constituent elements of the solid solution solid are:
The substitutional solid solution replaces any one of the constituent elements of the mother crystal ceramic, and the interstitial solid solution penetrates between lattices of the mother crystal. Therefore, the total amount is
It is a combination of one or both of the constituent elements that are substituted for solid solution and the constituent elements that are for interstitial solid solution. For example, when both the Si site and the N site are respectively replaced by the constituent elements of the solid for solid solution as in the above Si 3 N 4 — (Al 2 O 3 , AlN), the total amount becomes The amounts of the respective constituent elements of the solid-solution solid to be substituted and formed into a solid solution are combined. Also, as in the above Y 2 O 3 -ZrO 2 ,
Y 3+ is replaced by Zr 4+ and O
In the case of substitutional solid solution accompanied by interstitial solid solution in which 2-
The total amount is Z, which is a constituent element of the solid solution solid which is dissolved.
r 4+ and O 2− are combined.
【0036】ここで、前記総量を決定するための基準
は、前記母結晶用セラミックスの所定の構成元素であ
る。即ち、母結晶用セラミックスのいずれか1種の構成
元素のみが置換される置換型固溶の場合には、その置換
される構成元素を基準とする。母結晶用セラミックスの
2種以上の構成元素がそれぞれ置換される置換型固溶の
場合において、この母結晶用セラミックスの構成元素に
金属元素を含んでいる時にはその金属元素を基準とし、
金属元素を含まずにSi等の半金属元素を含んでいる時
にはその半金属元素を基準とするのが望ましい。母結晶
の格子間に固溶用固体の構成元素が侵入する侵入型固溶
の場合には、母結晶用セラミックスの金属元素を基準と
する。侵入型固溶を伴う置換型固溶の場合には、母結晶
用セラミックスの置換される構成元素を基準とするのが
望ましい。Here, the criterion for determining the total amount is a predetermined constituent element of the ceramic for a mother crystal. That is, in the case of a substitution type solid solution in which only one of the constituent elements of the ceramic for a mother crystal is replaced, the replaced constituent element is used as a reference. In the case of a substitution type solid solution in which two or more types of constituent elements of the ceramic for the mother crystal are respectively substituted, when a metal element is included in the constituent elements of the ceramic for the mother crystal, the metal element is used as a reference,
When a metalloid element such as Si is contained without a metal element, it is desirable to use the metalloid element as a reference. In the case of interstitial solid solution in which constituent elements of the solid for solid solution enter between lattices of the mother crystal, the metal element of the ceramic for the mother crystal is used as a reference. In the case of the substitutional solid solution accompanied by the interstitial solid solution, it is preferable that the substitutional element of the ceramic for the mother crystal be used as a reference.
【0037】当該セラミック焼結体は、上記のような母
結晶用セラミックスの所定の構成元素に対して、前記固
溶用固体の固溶される構成元素の総量を2at%以下と
しているので、前記母結晶用セラミックスのいずれかの
構成元素を不規則に置換した固溶用固体の構成元素を含
む所定範囲や、母結晶の格子間に不規則に侵入した固溶
用固体の構成元素を含む所定範囲を、互いに干渉しない
クラスターとすることができる。このように、母結晶中
に互いに干渉しない複数のクラスターを形成、分散させ
ておけば、このセラミック焼結体の硬度やヤング率に加
えて、破壊強度も上昇させることができるという利点が
ある。In the ceramic sintered body, since the total amount of the constituent elements of the solid solution for solid solution is 2 at% or less with respect to the predetermined constituent elements of the ceramic for the mother crystal as described above. A predetermined range including a solid-solution solid constituent element in which one of the constituent elements of the mother crystal ceramics is irregularly substituted, or a predetermined range including a solid-solution solid constituent element that randomly enters between lattices of the mother crystal. The ranges can be clusters that do not interfere with each other. By forming and dispersing a plurality of clusters in the mother crystal that do not interfere with each other, there is an advantage that the fracture strength can be increased in addition to the hardness and Young's modulus of the ceramic sintered body.
【0038】次に、このような機械的性質の向上を、例
えばAl2O3−Cr2O3を例にとり、下記に示すモデル
を用いて説明する。Next, such improvement in mechanical properties will be described with reference to a model shown below, taking, for example, Al 2 O 3 -Cr 2 O 3 as an example.
【0039】図1及び図2に示すように、Al3+1とC
r3+2は、いずれも6個のO2-3に囲まれて存在してい
る。この八面体を1つのクラスターと考え、それぞれ
〔AlO6〕クラスター4、〔CrO6〕クラスター5の
ように表す。As shown in FIGS. 1 and 2, Al 3 + 1 and C 3
r 3+ 2 are both present is surrounded by six O 2-3. This octahedron is considered as one cluster, and is represented as [AlO 6 ] cluster 4 and [CrO 6 ] cluster 5, respectively.
【0040】ここで、それぞれの構成元素のイオン半径
は、Al3+1で0.53Å、Cr3+2で0.62Å、O
2-3で1.40Åであるので、〔AlO6〕クラスター
4の半径は1.93Å、〔CrO6〕クラスター5の半
径は2.02Åであり、〔CrO6〕クラスター5の方
が少し大きい。Here, the ionic radius of each constituent element is 0.53 ° for Al 3 + 1, 0.62 ° for Cr 3 + 2,
Since at 1.40Å 2-3, [AlO 6] radius of the cluster 4 1.93A, the radius of [CrO 6] cluster 5 is 2.02A, slightly greater in [CrO 6] cluster 5 .
【0041】置換型固溶により、Al3+1がCr3+2で
置換されると、図2に示すように、〔AlO6〕クラス
ター4が〔CrO6〕クラスター5で置換されることに
なる。従って、〔CrO6〕クラスター5の周辺には、
格子レベルの圧縮応力CSと引張り応力TSが生じる。
なお、圧縮応力CSは、引張り応力TSの2倍であるこ
とが知られており、そのため、〔CrO6〕クラスター
5の周辺には圧縮応力CSが存在していると考えられ
る。When Al 3 + 1 is replaced by Cr 3+ 2 by the substitutional solid solution, [AlO 6 ] cluster 4 is replaced by [CrO 6 ] cluster 5 as shown in FIG. Become. Therefore, around the [CrO 6 ] cluster 5,
A lattice level compressive stress CS and a tensile stress TS occur.
It is known that the compressive stress CS is twice the tensile stress TS. Therefore, it is considered that the compressive stress CS exists around the [CrO 6 ] cluster 5.
【0042】ここで、ガラス中にアルミナ粒子を分散さ
せた系においては、ガラスの方が熱膨張係数が大きいた
め、アルミナ粒子周辺には圧縮応力(残留応力)が生じ
ることが知られている(香川 豊,八田 博史「セラミ
ックス基複合材料」アグネ承風社,p198)。この圧縮応
力(残留応力)の大きさは、図3に示すように、アルミ
ナ粒子内部では均一で、ガラス中ではアルミナ粒子の半
径の2〜3倍のところまで影響を及ぼす。Here, in a system in which alumina particles are dispersed in glass, it is known that a compressive stress (residual stress) is generated around the alumina particles because glass has a larger coefficient of thermal expansion ( Yutaka Kagawa, Hiroshi Hatta, “Ceramic-Based Composite Materials,” Agune Shofusha, p198). As shown in FIG. 3, the magnitude of the compressive stress (residual stress) is uniform inside the alumina particles, and affects up to two to three times the radius of the alumina particles in the glass.
【0043】前記〔CrO6〕クラスター5の周辺の圧
縮応力場も、上記と同様、〔CrO6〕クラスター5の
半径の2〜3倍のところまで影響を及ぼすものと考えら
れる。応力はベクトルにより与えられることから、これ
が重なると打ち消し合い、その効果は減少することにな
る。このことから、圧縮応力場の重なり合わない〔Cr
O6〕クラスター5の含有量を次のようにして算出する
ことができる。It is considered that the compressive stress field around the [CrO 6 ] cluster 5 also influences up to two to three times the radius of the [CrO 6 ] cluster 5 as described above. Since the stress is given by the vector, their overlap cancels out and the effect is reduced. From this, the compression stress fields do not overlap [Cr
The content of [O 6 ] cluster 5 can be calculated as follows.
【0044】ここで、全ての粒子が同じ半径aを有し、
不均一な分散を示す条件での粒子間距離2bは、次の数
1に示す式により表現できることが知られている(A.J.
Ardell, Act.Metal., 20 (1972) p61 )。Here, all the particles have the same radius a,
It is known that the distance 2b between particles under the condition of non-uniform dispersion can be expressed by the following equation (1)
Ardell, Act. Metal., 20 (1972) p61).
【0045】[0045]
【数1】 (Equation 1)
【0046】上記の数1の式は、前記〔CrO6〕クラ
スター5の半径aと、〔CrO6〕クラスター5間の距
離2bの計算に適用することができ、この数1の式から
求めた〔CrO6〕クラスター5の含有量Vf(vol
%)とa/bの関係を図4に示す。[0046] Formula 1 number above, the radius a of the [CrO 6] clusters 5, [CrO 6] can be applied to the calculation of the distance 2b between clusters 5, it was calculated from the equation of this number 1 [CrO 6 ] cluster 5 content V f (vol
%) And a / b are shown in FIG.
【0047】図4から、圧縮応力場の大きさが〔CrO
6〕クラスター5の半径の2倍であるとするとその含有
量は1.2vol%、3倍であるとすると0.4vol
%となる。従って、〔CrO6〕クラスター5の含有量
が1.2vol%より大きい場合、圧縮応力場が重なり
合うことになる。なお、Cr2O31体積当り〔Cr
O 6〕クラスター5が2体積生成するので、これをmo
lで計算すると、Cr2O3の固溶量が0.53mol%
より多い場合に圧縮応力場が重なり合うことになる。逆
に、Cr2O3の固溶量が0.53mol%以下、即ち、
Al3+に対して置換型固溶されるCr3+の量が0.53
at%以下の場合には、〔CrO6〕クラスター5が互
いに干渉することなく、圧縮応力CSの影響を受けるよ
うになるものと考えられる。この圧縮応力CSの影響に
より、硬度やヤング率、更には破壊強度が上昇するもの
と考えられる。FIG. 4 shows that the magnitude of the compressive stress field is [CrO
6] If the radius is twice the radius of cluster 5, its inclusion
The amount is 1.2 vol%, and if it is 3 times, 0.4 vol
%. Therefore, [CrO6] Content of Cluster 5
Is greater than 1.2 vol%, the compressive stress fields overlap
Will fit. In addition, CrTwoOThreePer volume [Cr
O 6] Since two volumes of cluster 5 are generated, this is
lTwoOThree0.53mol% of solid solution
If more, the compressive stress fields will overlap. Reverse
And CrTwoOThreeIs 0.53 mol% or less, that is,
Al3+Dissolves in Cr3+0.53
at% or less, the CrO6] Cluster 5
Without being affected by the compressive stress CS
It is thought to grow. The effect of this compressive stress CS
Which increase hardness, Young's modulus, and breaking strength
it is conceivable that.
【0048】以上のことから、前記固溶用固体の固溶さ
れる構成元素の総量は、2at%以下、好ましくは1a
t%以下、より好ましくは0.6at%以下が望まし
い。前記総量が2at%より多い場合には、緻密化の阻
害、即ち焼結の進行の遅延、原子間結合力の減少による
ヤング率の低下、あるいはこのヤング率の低下による破
壊靱性の低下等が起こることがあるので望ましくない。
なお、上記では、置換型固溶が起こるAl2O3−Cr2
O3の場合について説明したが、侵入型固溶や、あるい
は侵入型固溶を伴う置換型固溶の場合でも同様である。From the above, the total amount of constituent elements in the solid solution solid is 2 at% or less, preferably 1 at% or less.
t% or less, more preferably 0.6 at% or less. If the total amount is more than 2 at%, the densification is hindered, that is, the progress of sintering is delayed, the Young's modulus is reduced due to a decrease in the atomic bonding force, or the fracture toughness is reduced due to the decrease in the Young's modulus. Is not desirable.
In the above, Al 2 O 3 —Cr 2 where substitution type solid solution occurs
The case of O 3 has been described, but the same applies to the case of interstitial solid solution or substitutional solid solution accompanied by interstitial solid solution.
【0049】更に、例えば、上記のAl2O3−Cr2O3
やTiB2−ZrB2等のように、前記固溶が置換型固溶
のみである場合には、侵入型固溶や、あるいは侵入型固
溶を伴う置換型固溶の場合にみられる結晶自体の脆化や
電気伝導性等の基本物性の変化等が現れにくいという利
点がある。Further, for example, the above Al 2 O 3 —Cr 2 O 3
And TiB 2 -ZrB as 2, etc., wherein when the solid solution is only substituted solid solution, interstitial solid solution and, or crystals themselves seen in the case of a substitutional solid solution with interstitial solid solution There is an advantage that embrittlement and changes in basic physical properties such as electrical conductivity are unlikely to appear.
【0050】また、前記母結晶用セラミックスと固溶用
固体が共に酸化物系セラミックスである場合には、易焼
結性で、しかも高品質で安価な粉末が大量に供給されて
おり、そのため、セラミック焼結体を容易且つ安価に製
造できるという利点がある。When both the mother crystal ceramic and the solid solution solid are oxide ceramics, a large amount of easily sinterable, high quality and inexpensive powder is supplied. There is an advantage that a ceramic sintered body can be easily and inexpensively manufactured.
【0051】前記母結晶用セラミックスが酸化物系セラ
ミックスであると共に、前記固溶用固体が非酸化物系セ
ラミックスである場合には、上記の効果に加え、耐熱性
や耐熱衝撃性等を改善できるという利点がある。When the mother crystal ceramic is an oxide ceramic and the solid solution solid is a non-oxide ceramic, the heat resistance and the thermal shock resistance can be improved in addition to the above effects. There is an advantage.
【0052】前記母結晶用セラミックスが非酸化物系セ
ラミックスであると共に、前記固溶用固体が少なくとも
酸化物系セラミックスを含む場合には、耐熱性、耐食
性、硬度、機械的強度等に優れると共に、耐酸化性等を
改善できるという利点がある。When the mother crystal ceramic is a non-oxide ceramic and the solid solution solid contains at least an oxide ceramic, it has excellent heat resistance, corrosion resistance, hardness, mechanical strength and the like. There is an advantage that oxidation resistance and the like can be improved.
【0053】前記母結晶用セラミックスが非酸化物系セ
ラミックスであると共に、前記固溶用固体が非酸化物系
セラミックス及び/又は金属間化合物を含む場合には、
耐熱性、耐食性、硬度、機械的強度等に優れるという利
点がある。In the case where the mother crystal ceramic is a non-oxide ceramic and the solid solution solid contains a non-oxide ceramic and / or an intermetallic compound,
There is an advantage that it is excellent in heat resistance, corrosion resistance, hardness, mechanical strength and the like.
【0054】前記母結晶用セラミックスが組成式Al2
O3で表される場合には、高硬度で、しかも耐摩耗性や
耐食性等に優れるという利点がある。この場合、特に前
記固溶用固体が組成式Cr2O3で表される場合には、置
換型固溶のみが起こるという利点がある。しかも、Al
とCrの原子価が同じであることから、格子空孔もほと
んど生成せず、そのため母結晶が脆くならないという利
点がある。The ceramic for the mother crystal has a composition formula of Al 2
When represented by O 3 , there is an advantage that it has high hardness and is excellent in wear resistance, corrosion resistance, and the like. In this case, particularly when the solid solution solid is represented by the composition formula Cr 2 O 3 , there is an advantage that only substitutional solid solution occurs. Moreover, Al
And Cr have the same valence, so that almost no lattice vacancies are generated, and therefore, there is an advantage that the mother crystal does not become brittle.
【0055】次に、当該セラミック焼結体の製造方法に
ついて説明する。この実施形態に係るセラミック焼結体
の製造方法は、母結晶用セラミックスと固溶用固体を所
定の割合で混合した粉末状混合物を焼結し、前記母結晶
用セラミックスに固溶用固体を固溶させるものである。Next, a method of manufacturing the ceramic sintered body will be described. The method for manufacturing a ceramic sintered body according to this embodiment includes sintering a powder mixture obtained by mixing a mother crystal ceramic and a solid solution solid at a predetermined ratio, and solidifying the solid solution solid in the mother crystal ceramic. Is to dissolve.
【0056】この際、前記固溶用固体の混合割合を、該
固溶用固体の固溶される構成元素の総量が前記母結晶用
セラミックスの所定の構成元素に対して2at%以下と
なるようにすることによって、母結晶中に互いに干渉し
ない複数のクラスターを形成、分散させる。At this time, the mixing ratio of the solid solution solid is adjusted so that the total amount of constituent elements of the solid solution solid is 2 at% or less with respect to a predetermined constituent element of the mother crystal ceramic. Thus, a plurality of clusters that do not interfere with each other are formed and dispersed in the mother crystal.
【0057】前記粉末状混合物は、母結晶用セラミック
ス粉末と固溶用固体粉末をメカニカルミリングにより攪
拌、混合等してあらかじめ調製しておく。The powder mixture is prepared in advance by stirring and mixing the ceramic powder for the mother crystal and the solid powder for the solid solution by mechanical milling.
【0058】そして、この粉末状混合物を、得られるセ
ラミック焼結体の製品用途等に応じて、常圧焼結法、ホ
ットプレス(HP)法、真空ホットプレス(VHP)
法、ホットアイソスタティックプレス(HIP)法、射
出成形法等の中から適宜の焼結法を選択して焼結する。
この際、粉末状混合物をあらかじめ所望の製品形状に成
形してから焼結してもよいし、あるいは成形と焼結を同
時に行う等してもよい。Then, this powdery mixture is subjected to a normal pressure sintering method, a hot press (HP) method, a vacuum hot press (VHP), depending on the product use of the obtained ceramic sintered body.
And an appropriate sintering method selected from hot isostatic pressing (HIP), injection molding and the like.
At this time, the powdered mixture may be formed into a desired product shape before sintering, or the forming and sintering may be performed simultaneously.
【0059】前記固溶用固体の混合割合は、例えば、A
l2O3−Cr2O3の場合では、AlとCrの原子比が
1:1であり、置換型固溶されるCr3+がAl3+に対し
て2at%以下となるようにすればよいので、Al2O3
に2mol%以下のCr2O3を混合すればよい。The mixing ratio of the solid solution solid is, for example, A
In the case of l 2 O 3 -Cr 2 O 3 , the atomic ratio of Al to Cr is 1: 1, and the substitutional solid solution of Cr 3+ is less than 2 at% with respect to Al 3+ . Al 2 O 3
Should be mixed with 2 mol% or less of Cr 2 O 3 .
【0060】また、Y2O3−ZrO2の場合には、既述
したように、Y3+がZr4+で置換されると共に、母結晶
の格子間にO2-が侵入するが、Y3+1個がZr4+で置換
されるにつき電気的中性を保持するためにO2-が1/2
個侵入するので、Y3+1個につき固溶用固体の構成元素
が合計1.5個固溶されることになる。更に、YとZr
の原子比が2:1であるので、ZrO2の固溶される構
成元素の総量をY3+に対して2at%以下とするために
は、 4÷3/2=4×2/3=8/3(mol%) 即ち、約2.67mol%以下のZrO2を混合すれば
よい。In the case of Y 2 O 3 —ZrO 2 , as described above, Y 3+ is replaced by Zr 4+ and O 2− enters between lattices of the mother crystal. Since one Y 3+ is replaced with Zr 4+ , O 2− is reduced to 1 / to maintain electrical neutrality.
Therefore, a total of 1.5 constituent elements of the solid solution solid are dissolved in each Y 3+ . Furthermore, Y and Zr
Since the atomic ratio of ZrO 2 is 2: 1 with respect to Y 3+ , the atomic ratio of ZrO 2 is set to 2 at% or less with respect to Y 3+ . 8/3 (mol%) That is, ZrO 2 of about 2.67 mol% or less may be mixed.
【0061】同様に、MoSi2−(WSi2,MoAl
2)の場合には、MoサイトがWで、SiサイトがAl
でそれぞれ置換され、MoとWの原子比及びSiとAl
の原子比がいずれも1:1であるので、WSi2とMo
Al2を含む固溶用固体の固溶される構成元素の総量を
Moに対して2at%とするためには、WSi2とMo
Al2を合わせて2mol%以下となるように混合すれ
ばよい。Similarly, MoSi 2- (WSi 2 , MoAl
In case 2 ), the Mo site is W and the Si site is Al
Respectively, and the atomic ratio of Mo to W and Si and Al
Are all 1: 1 and therefore WSi 2 and Mo
In order to make the total amount of constituent elements of the solid solution solid containing Al 2 into 2 at% with respect to Mo, WSi 2 and Mo
The Al 2 may be mixed so that less 2 mol% in total.
【0062】このように、固溶用固体は、母結晶用セラ
ミックスとの組合せにより、適宜の量を混合して粉末状
混合物を調製すればよい。As described above, the solid for solid solution may be mixed in an appropriate amount in combination with the ceramic for the mother crystal to prepare a powdery mixture.
【0063】ここで、母結晶用セラミックス粉末と固溶
用固体粉末をメカニカルミリングにより攪拌、混合して
粉末状混合物を調製する場合には、母結晶用セラミック
ス粉末と固溶用固体粉末を均一に混合できると共に、充
分に微細化できるという利点がある。Here, when a powder mixture is prepared by stirring and mixing the ceramic powder for the mother crystal and the solid powder for solid solution by mechanical milling, the ceramic powder for the mother crystal and the solid powder for solid solution are uniformly mixed. There is an advantage that it can be mixed and sufficiently miniaturized.
【0064】前記メカニカルミリングは、ボールミル、
振動ミル、アトライタ等の適宜のミリング装置で数時間
〜数十時間程度行えばよい。The mechanical milling includes a ball mill,
It may be carried out for several hours to several tens of hours using an appropriate milling device such as a vibration mill and an attritor.
【0065】上記のメカニカルミリングにおいて、固溶
用固体ゾルを用いる場合には、より均一に混合できると
いう利点がある。In the above mechanical milling, when a solid sol for solid solution is used, there is an advantage that mixing can be performed more uniformly.
【0066】また、ゾル・ゲル法、共沈法や、あるい
は、母結晶用セラミックスに固溶用固体の硝酸塩溶液等
を塗布して母結晶用セラミックス表面に固溶用固体をコ
ーティングする等して、母結晶用セラミックス粉末の調
製途中で固溶用固体をあらかじめ混合しておく場合に
は、より均一に混合できると共に、より微細化できると
いう利点がある。The solid solution solid may be coated on the surface of the mother crystal ceramic by a sol-gel method, a coprecipitation method, or by applying a solid solution solid nitrate solution or the like to the mother crystal ceramic. When the solid for solid solution is previously mixed during the preparation of the ceramic powder for the mother crystal, there is an advantage that the mixture can be more uniformly mixed and further refined.
【0067】次いで、母結晶用セラミックスと固溶用固
体を上記のような割合で混合した粉末状混合物を焼結す
れば、既述したように、母結晶中に互いに干渉しない複
数のクラスターを形成、分散させることができる。Next, by sintering a powder mixture obtained by mixing the ceramic for the mother crystal and the solid for solid solution at the above ratio, a plurality of clusters which do not interfere with each other are formed in the mother crystal as described above. Can be dispersed.
【0068】[0068]
【実施例】次に、実施例を挙げてこの発明を更に詳細に
説明するが、この発明は係る実施例に限定されるもので
はない。Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
【0069】実施例1(Al2O3−Cr2O3) 母結晶用セラミックスとしてAl2O3を、固溶用固体と
してCr2O3を選択した。出発原料として、住友化学工
業社製のα−Al2O3(AKP−30,<0.4μm,
純度99.99%)と高純度化学研究所製のCr2O
3(98778C,3μm,純度99.98%)を用い
た。これら原料粉末の化学組成は、次の表1の通りであ
る。[0069] Example 1 (Al 2 O 3 -Cr 2 O 3) Al 2 O 3 as a host crystal ceramics were selected Cr 2 O 3 solid solution solids. As a starting material, α-Al 2 O 3 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. (AKP-30, <0.4 μm,
Purity 99.99%) and Cr 2 O manufactured by Kojundo Chemical Laboratory
3 (98778C, 3 μm, purity 99.98%) was used. The chemical composition of these raw material powders is as shown in Table 1 below.
【0070】[0070]
【表1】 [Table 1]
【0071】Cr2O3の混合割合が0.26、0.4
3、0.88mol%(固溶総量,at%)となるよう
にそれぞれ秤量し、図5に示す工程でセラミック焼結体
の試料片を作製した。即ち、エタノール中で直径0.5
cmのアルミナボールにより24時間湿式ボールミル混
合を行った。これをマイクロ波で乾燥後、直径1cmの
アルミナボールを使用して24時間乾式ボールミル混合
を行い、充分に粉砕して粉末状混合物を調製した。得ら
れた粉末状混合物を、カーボンダイスを用いてアルゴン
雰囲気下、1400〜1600℃、30MPaの条件で
1時間ホットプレス焼結を行った。得られたセラミック
焼結体をダイヤモンドカッターで切断後、ダイヤモンド
スラリー(9、3、1/2μm)を用いて鏡面研磨し、
3×4×36mmの試料片を10本程度作製した。な
お、同様の操作でAl2O3単相の試料片も作製した。When the mixing ratio of Cr 2 O 3 is 0.26, 0.4
3 and 0.88 mol% (total solid solution, at%), respectively, and weighed to prepare a sample of a ceramic sintered body in the process shown in FIG. That is, a diameter of 0.5 in ethanol
Wet ball mill mixing was performed for 24 hours using alumina balls having a diameter of 2 cm. After drying with microwaves, dry ball mill mixing was performed using alumina balls having a diameter of 1 cm for 24 hours, followed by sufficient pulverization to prepare a powdery mixture. The obtained powdery mixture was subjected to hot press sintering for 1 hour at 1400 to 1600 ° C. and 30 MPa in an argon atmosphere using a carbon die. After cutting the obtained ceramic sintered body with a diamond cutter, mirror polishing is performed using a diamond slurry (9, 3, 1/2 μm),
Approximately 10 3 × 4 × 36 mm sample pieces were prepared. In the same manner, a sample of Al 2 O 3 single phase was prepared.
【0072】得られた試料片を用い、1400℃及び1
500℃で焼結したものについて、硬度(ビッカース硬
度)、ヤング率(共振法)、破壊靱性(微小圧子圧入破
壊法(IF法))、破壊強度(大気中,三点曲げ試験,
スパン=30mm,クロスヘッドスピード=0.5mm
/min)をそれぞれ測定した。これらの結果をそれぞ
れ図6乃至図9に示す。Using the obtained sample, 1400 ° C. and 1
For those sintered at 500 ° C, hardness (Vickers hardness), Young's modulus (resonance method), fracture toughness (microindenter press-in fracture method (IF method)), fracture strength (in air, three-point bending test,
Span = 30mm, crosshead speed = 0.5mm
/ Min). These results are shown in FIGS. 6 to 9, respectively.
【0073】図6乃至図9から、Al2O3に微量のCr
2O3を固溶させることにより、硬度、ヤング率、及び破
壊強度がそれぞれ上昇した。また、破壊靱性はAl2O3
単相とほぼ同じであった。As shown in FIGS. 6 to 9, a small amount of Cr was added to Al 2 O 3.
By dissolving 2 O 3 , hardness, Young's modulus, and breaking strength were each increased. The fracture toughness is Al 2 O 3
It was almost the same as the single phase.
【0074】なお、1400℃で焼結したものについて
同条件で熱エッチングを行い、その表面をSEM(走査
型電子顕微鏡)により観察した結果、図10に示すよう
に、母結晶粒子の平均粒径に差はほとんど認められず、
また粒子の形状や粒度分布もほとんど同じであった。更
に、1500℃で焼結したものも同様の傾向であった。The material sintered at 1400 ° C. was subjected to thermal etching under the same conditions, and the surface was observed by SEM (scanning electron microscope). As a result, as shown in FIG. There is almost no difference in
The shape and particle size distribution of the particles were almost the same. Further, those sintered at 1500 ° C. had the same tendency.
【0075】また、破壊強度測定後の試料片の破断面を
SEMにより観察した結果、Al2O3単相では粒界破壊
と粒内破壊が共存していたが、Cr2O3の混合量が増加
するにつれて破壊モードが粒内破壊へと変化した。[0075] As a result of observation by SEM of the fracture surface of the sample piece after breaking strength measurement, but Al 2 O 3 grain boundary fracture and transgranular fracture is a single phase had coexisted, the mixing amount of Cr 2 O 3 The fracture mode changed to intragranular fracture with increasing.
【0076】実施例2(Al2O3−AlN) 母結晶用セラミックスとしてAl2O3を、固溶用固体と
してAlNを選択し、実施例1と同様にしてセラミック
焼結体を作製した。Example 2 (Al 2 O 3 —AlN) Al 2 O 3 was selected as a ceramic for a mother crystal, and AlN was selected as a solid solution solid. A ceramic sintered body was produced in the same manner as in Example 1.
【0077】実施例3(Si3N4−SiO2) 母結晶用セラミックスとしてSi3N4を、固溶用固体と
してSiO2を選択し、実施例1と同様にしてセラミッ
ク焼結体を作製した。Example 3 (Si 3 N 4 —SiO 2 ) Si 3 N 4 was selected as the ceramic for the mother crystal and SiO 2 was selected as the solid solution solid, and a ceramic sintered body was produced in the same manner as in Example 1. did.
【0078】実施例4(MoSi2−WSi2) 母結晶用セラミックスとしてMoSi2を、固溶用固体
としてWSi2を選択し、実施例1と同様にしてセラミ
ック焼結体を作製した。[0078] Example 4 (MoSi 2 -WSi 2) MoSi 2 as host crystals for ceramics, select the WSi 2 solid solution for a solid, to produce a ceramic sintered body in the same manner as in Example 1.
【0079】比較例1〜6(Al2O3−Cr2O3) 母結晶用セラミックスとしてAl2O3を、固溶用固体と
してCr2O3を選択し、Cr2O3をそれぞれ4.4mo
l%(比較例1)、8.9mol%(比較例2)、1
8.0mol%(比較例3)、27.3mol%(比較
例4)、36.9mol%(比較例5)、46.7mo
l%(比較例6)混合した以外は実施例1と同様にして
セラミック焼結体を作製した。[0079] Comparative Example 1~6 (Al 2 O 3 -Cr 2 O 3) and for Al 2 O 3 host crystal ceramics, select the Cr 2 O 3 solid solution for a solid, the Cr 2 O 3, respectively 4 .4mo
1% (Comparative Example 1), 8.9 mol% (Comparative Example 2), 1
8.0 mol% (Comparative Example 3), 27.3 mol% (Comparative Example 4), 36.9 mol% (Comparative Example 5), 46.7 mol
A ceramic sintered body was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 1% (Comparative Example 6) was mixed.
【0080】上記実施例2〜4において、1500℃で
焼結した固溶総量が0.43at%のものについて、実
施例1と同様にして硬度、ヤング率、破壊靱性、及び破
壊強度を測定した。その結果を実施例1及び比較例1〜
6の結果と合わせて次の表2に示す。In Examples 2 to 4, hardness, Young's modulus, fracture toughness, and fracture strength were measured in the same manner as in Example 1 except that the total amount of solid solution sintered at 1500 ° C. was 0.43 at%. . The results are shown in Example 1 and Comparative Examples 1 to
Table 2 below shows the results together with the results of Example 6.
【0081】[0081]
【表2】 [Table 2]
【0082】なお、比較例1〜6において、1500℃
で焼結したものについて実施例1と同様にして熱エッチ
ングを行い、その表面をSEMにより観察した結果、図
11に示すように、母結晶粒子の平均粒径はCr2O3の
混合量が増加するにつれて減少した。このことから、C
r2O3の混合量が多い領域で破壊強度が上昇したのは、
母結晶粒子の平均粒径の減少によって、破壊源寸法も減
少したことに起因するものと考えられる。また、硬度も
上昇しているが、これは母結晶粒子の平均粒径の減少に
加え、Cr2O3の固溶により転位の移動が抑えられるた
めであると考えられる。これに対し、ヤング率は、Cr
2O3の混合量が増加するにつれて低下した。これは、A
l2O3格子中のAl3+がイオン半径のより大きいCr3+
で置換され、平均原子間距離が増大して原子間の結合力
が弱くなったことに起因するものと考えられる。また、
このヤング率の低下により、破壊靱性も低下したものと
考えられる。In Comparative Examples 1 to 6, 1500 ° C.
In for thermal etching in the same manner as in Example 1 for those sintered, result of the surface thereof an SEM, as shown in FIG. 11, the mixing amount of the average particle diameter of the mother crystal grains Cr 2 O 3 is It decreased as it increased. From this, C
The reason why the breaking strength increased in the region where the mixing amount of r 2 O 3 was large is that
It is considered that the decrease in the average grain size of the mother crystal grains also reduced the size of the fracture source. The hardness is also increased, which is considered to be because the dislocation movement is suppressed by the solid solution of Cr 2 O 3 in addition to the decrease in the average particle size of the mother crystal particles. On the other hand, the Young's modulus is Cr
It decreased as the mixing amount of 2 O 3 increased. This is A
Al 3+ in the l 2 O 3 lattice is Cr 3+ having a larger ionic radius.
This is considered to be due to the fact that the average interatomic distance was increased and the bonding force between the atoms was weakened. Also,
It is considered that the fracture toughness was also reduced due to the decrease in Young's modulus.
【0083】[0083]
【発明の効果】以上のように、請求項1及び請求項9の
発明によれば、母結晶用セラミックスに固溶用固体が固
溶されたセラミック焼結体において、前記固溶用固体の
固溶される構成元素の総量を、前記母結晶用セラミック
スの所定の構成元素に対して2at%以下とすることに
よって、母結晶中に互いに干渉しない複数のクラスター
を形成、分散させているので、前記母結晶用セラミック
スのいずれかの構成元素を不規則に置換した固溶用固体
の構成元素を含む所定範囲や、母結晶の格子間に不規則
に侵入した固溶用固体の構成元素を含む所定範囲を、互
いに干渉しないクラスターとすることができる。そのた
め、セラミック焼結体の硬度に加えてヤング率や破壊強
度も上昇させることができると共に、破壊靱性の減少も
ないことから、当該セラミック焼結体の構造材料等とし
ての応用範囲を広くできるという利点がある。As described above, according to the first and ninth aspects of the present invention, in a ceramic sintered body in which a solid solution solid is dissolved in a ceramic for a mother crystal, the solid solution solid is formed. By setting the total amount of the dissolved constituent elements to 2 at% or less with respect to a predetermined constituent element of the ceramic for the mother crystal, a plurality of clusters that do not interfere with each other are formed and dispersed in the mother crystal. A predetermined range including a solid-solution solid constituent element in which one of the constituent elements of the mother crystal ceramics is irregularly substituted, or a predetermined range including a solid-solution solid constituent element that randomly enters between lattices of the mother crystal. The ranges can be clusters that do not interfere with each other. Therefore, it is possible to increase the Young's modulus and the fracture strength in addition to the hardness of the ceramic sintered body, and there is no decrease in the fracture toughness, so that the applicable range of the ceramic sintered body as a structural material can be widened. There are advantages.
【0084】請求項2及び請求項13の発明によれば、
前記固溶が置換型固溶のみであるので、侵入型固溶や、
あるいは侵入型固溶を伴う置換型固溶の場合にみられる
結晶自体の脆化や電気伝導性等の基本物性の変化等が現
れることがないという利点がある。According to the second and thirteenth aspects,
Since the solid solution is only a substitution type solid solution,
Alternatively, there is an advantage that embrittlement of the crystal itself and a change in basic physical properties such as electric conductivity do not appear in the case of the substitutional solid solution accompanied by the interstitial solid solution.
【0085】請求項3及び請求項14の発明によれば、
前記母結晶用セラミックスと固溶用固体が共に酸化物系
セラミックスであるので、易焼結性で、しかも高品質で
安価な粉末が大量に供給されており、そのため、セラミ
ック焼結体を容易且つ安価に製造できるという利点があ
る。According to the third and fourteenth aspects of the present invention,
Since both the mother crystal ceramic and the solid solution solid are oxide ceramics, a large amount of high-quality and inexpensive powder is supplied with easy sintering properties. There is an advantage that it can be manufactured at low cost.
【0086】請求項4及び請求項15の発明によれば、
前記母結晶用セラミックスが酸化物系セラミックスであ
ると共に、前記固溶用固体が非酸化物系セラミックスで
あるので、上記請求項3及び14の効果に加え、耐熱性
や耐熱衝撃性等を改善できるという利点がある。According to the fourth and fifteenth aspects of the present invention,
Since the ceramic for the mother crystal is an oxide ceramic and the solid for solid solution is a non-oxide ceramic, the heat resistance and the thermal shock resistance can be improved in addition to the effects of claims 3 and 14. There is an advantage.
【0087】請求項5及び請求項16の発明によれば、
前記母結晶用セラミックスが非酸化物系セラミックスで
あると共に、前記固溶用固体が少なくとも酸化物系セラ
ミックスを含むので、耐熱性、耐食性、硬度、機械的強
度等に優れると共に、耐酸化性等を改善できるという利
点がある。According to the fifth and sixteenth aspects of the present invention,
Since the mother crystal ceramic is a non-oxide ceramic and the solid solution solid contains at least an oxide ceramic, it has excellent heat resistance, corrosion resistance, hardness, mechanical strength, and oxidation resistance. There is an advantage that it can be improved.
【0088】請求項6及び請求項17の発明によれば、
前記母結晶用セラミックスが非酸化物系セラミックスで
あると共に、前記固溶用固体が非酸化物系セラミックス
及び/又は金属間化合物を含むので、耐熱性、耐食性、
硬度、機械的強度等に優れるという利点がある。According to the invention of claims 6 and 17,
Since the mother crystal ceramic is a non-oxide ceramic and the solid solution solid contains a non-oxide ceramic and / or an intermetallic compound, heat resistance, corrosion resistance,
There is an advantage of being excellent in hardness, mechanical strength, and the like.
【0089】請求項7及び請求項18の発明によれば、
前記母結晶用セラミックスが組成式Al2O3で表される
ので、高硬度で、しかも耐摩耗性や耐食性等に優れると
いう利点がある。According to the invention of claims 7 and 18,
Since the ceramic for a mother crystal is represented by the composition formula Al 2 O 3 , there is an advantage that it has high hardness and is excellent in abrasion resistance and corrosion resistance.
【0090】請求項8及び請求項19の発明によれば、
前記固溶用固体が組成式Cr2O3で表されるので、母結
晶用セラミックスがAl2O3である場合には、置換型固
溶のみが起こるという利点がある。しかも、AlとCr
の原子価が同じであることから、格子空孔もほとんど生
成せず、そのため母結晶が脆くならないという利点があ
る。According to the eighth and nineteenth aspects,
Since the solid solution solid is represented by the composition formula Cr 2 O 3 , when the mother crystal ceramic is Al 2 O 3 , there is an advantage that only substitutional solid solution occurs. Moreover, Al and Cr
Have the same valence, there is almost no generation of lattice vacancies, and therefore, there is an advantage that the mother crystal does not become brittle.
【0091】請求項10の発明によれば、前記粉末状混
合物が、母結晶用セラミックス粉末と固溶用固体粉末を
メカニカルミリングにより攪拌、混合したものであるの
で、母結晶用セラミックス粉末と固溶用固体粉末を均一
に混合できると共に、充分に微細化できるという利点が
ある。According to the tenth aspect of the present invention, since the powdery mixture is obtained by stirring and mixing the ceramic powder for mother crystal and the solid powder for solid solution by mechanical milling, There is an advantage that the solid powder for use can be uniformly mixed and can be sufficiently refined.
【0092】請求項11の発明によれば、前記粉末状混
合物が、母結晶用セラミックス粉末と固溶用固体ゾルを
メカニカルミリングにより攪拌、混合したものであるの
で、上記請求項10の場合と比較してより均一に混合で
きるという利点がある。According to the eleventh aspect of the present invention, the powdery mixture is obtained by stirring and mixing a ceramic powder for a mother crystal and a solid sol for a solid solution by mechanical milling. Thus, there is an advantage that mixing can be performed more uniformly.
【0093】請求項12の発明によれば、前記粉末状混
合物が、母結晶用セラミックス粉末の調製途中で固溶用
固体をあらかじめ混合したものであるので、上記請求項
10及び11の場合と比較してより効果的に均一に混合
できると共に、より微細化できるという利点がある。According to the twelfth aspect of the present invention, the powdery mixture is prepared by previously mixing a solid solution solid during the preparation of the mother crystal ceramic powder. In addition, there is an advantage that the mixture can be more effectively and uniformly mixed, and the size can be further reduced.
【図1】Al3+及びCr3+の配位状態を示すモデル図。FIG. 1 is a model diagram showing a coordination state of Al 3+ and Cr 3+ .
【図2】クラスターの置換により生じる圧縮応力のモデ
ル図。FIG. 2 is a model diagram of compressive stress generated by cluster replacement.
【図3】ガラス中にアルミナ粒子を分散させて生じた圧
縮応力(残留応力)のグラフ。FIG. 3 is a graph of compressive stress (residual stress) generated by dispersing alumina particles in glass.
【図4】〔CrO6〕クラスター含有量と隣接する〔C
rO6〕クラスター間の距離の関係を示すグラフ。FIG. 4. [CrO 6 ] cluster content and adjacent [C
[rO 6 ] is a graph showing the relationship between distances between clusters.
【図5】実施例1の工程図。FIG. 5 is a process chart of Example 1.
【図6】得られたAl2O3−Cr2O3セラミック焼結体
におけるCr2O3の混合量と硬度の関係を示すグラフ。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the mixing amount of Cr 2 O 3 and hardness in the obtained Al 2 O 3 —Cr 2 O 3 ceramic sintered body.
【図7】得られたAl2O3−Cr2O3セラミック焼結体
におけるCr2O3の混合量とヤング率の関係を示すグラ
フ。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the mixed amount of Cr 2 O 3 and the Young's modulus in the obtained Al 2 O 3 —Cr 2 O 3 ceramic sintered body.
【図8】得られたAl2O3−Cr2O3セラミック焼結体
におけるCr2O3の混合量と破壊靱性の関係を示すグラ
フ。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the mixing amount of Cr 2 O 3 and the fracture toughness in the obtained Al 2 O 3 —Cr 2 O 3 ceramic sintered body.
【図9】得られたAl2O3−Cr2O3セラミック焼結体
におけるCr2O3の混合量と破壊強度の関係を示すグラ
フ。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the amount of Cr 2 O 3 mixed and the fracture strength in the obtained Al 2 O 3 —Cr 2 O 3 ceramic sintered body.
【図10】得られたAl2O3−Cr2O3セラミック焼結
体におけるCr2O3の混合量と平均粒径の関係を示すグ
ラフ。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the mixed amount of Cr 2 O 3 and the average particle size in the obtained Al 2 O 3 —Cr 2 O 3 ceramic sintered body.
【図11】比較例1〜6において、得られたAl2O3−
Cr2O3セラミック焼結体におけるCr2O3の混合量と
平均粒径の関係を示すグラフ。FIG. 11 shows the obtained Al 2 O 3 − in Comparative Examples 1 to 6.
4 is a graph showing the relationship between the mixed amount of Cr 2 O 3 and the average particle size in a Cr 2 O 3 ceramic sintered body.
1 Al3+ 2 Cr3+ 3 O2- 4 〔AlO6〕クラスター 5 〔CrO6〕クラスター1 Al 3+ 2 Cr 3+ 3 O 2-4 [AlO 6 ] cluster 5 [CrO 6 ] cluster
Claims (19)
溶されたセラミック焼結体において、 前記固溶用固体の固溶される構成元素の総量を、前記母
結晶用セラミックスの所定の構成元素に対して2at%
以下とすることによって、母結晶中に互いに干渉しない
複数のクラスターを形成、分散させたことを特徴とする
セラミック焼結体。1. In a ceramic sintered body in which a solid solution solid is dissolved in a ceramic for a mother crystal, a total amount of constituent elements of the solid solution for a solid solution is determined by a predetermined configuration of the ceramic for the mother crystal. 2at% for element
A ceramic sintered body characterized in that a plurality of clusters that do not interfere with each other are formed and dispersed in a mother crystal by the following.
特徴とする請求項1記載のセラミック焼結体。2. The ceramic sintered body according to claim 1, wherein the solid solution is only a substitution type solid solution.
が共に酸化物系セラミックスであることを特徴とする請
求項1又は2記載のセラミック焼結体。3. The ceramic sintered body according to claim 1, wherein the ceramic for the mother crystal and the solid for solid solution are both oxide ceramics.
ラミックスであると共に、前記固溶用固体が非酸化物系
セラミックスであることを特徴とする請求項1又は2記
載のセラミック焼結体。4. The ceramic sintered body according to claim 1, wherein said mother crystal ceramic is an oxide ceramic, and said solid solution solid is a non-oxide ceramic.
セラミックスであると共に、前記固溶用固体が少なくと
も酸化物系セラミックスを含むことを特徴とする請求項
1又は2記載のセラミック焼結体。5. The ceramic sintered body according to claim 1, wherein the ceramic for the mother crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution contains at least an oxide ceramic.
セラミックスであると共に、前記固溶用固体が非酸化物
系セラミックス及び/又は金属間化合物を含むことを特
徴とする請求項1又は2記載のセラミック焼結体。6. The ceramic for a host crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution contains a non-oxide ceramic and / or an intermetallic compound. Ceramic sintered body.
2O3で表されることを特徴とする請求項1乃至4のいず
れか記載のセラミック焼結体。7. The ceramic for a mother crystal according to claim 1, wherein the composition formula is Al.
Ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 4, characterized by being represented by 2 O 3.
れることを特徴とする請求項7記載のセラミック焼結
体。8. The ceramic sintered body according to claim 7, wherein said solid for solid solution is represented by a composition formula: Cr 2 O 3 .
定の割合で混合した粉末状混合物を焼結し、前記母結晶
用セラミックスに固溶用固体を固溶させるセラミック焼
結体の製造方法において、 前記固溶用固体の混合割合を、該固溶用固体の固溶され
る構成元素の総量が前記母結晶用セラミックスの所定の
構成元素に対して2at%以下となるようにすることに
よって、母結晶中に互いに干渉しない複数のクラスター
を形成、分散させることを特徴とするセラミック焼結体
の製造方法。9. A method for producing a ceramic sintered body, comprising sintering a powdery mixture obtained by mixing a ceramic for a mother crystal and a solid for solid solution at a predetermined ratio, and forming a solid solution for the solid for solid solution in the ceramic for a mother crystal. In the above, the mixing ratio of the solid solution solid is adjusted so that the total amount of constituent elements of the solid solution solid is 2 at% or less with respect to a predetermined constituent element of the ceramic for a mother crystal. Forming and dispersing a plurality of clusters in a mother crystal that do not interfere with each other.
ックス粉末と固溶用固体粉末をメカニカルミリングによ
り攪拌、混合したものであることを特徴とする請求項9
記載のセラミック焼結体の製造方法。10. The powdery mixture obtained by stirring and mixing ceramic powder for a mother crystal and solid powder for a solid solution by mechanical milling.
A method for producing the ceramic sintered body described in the above.
ックス粉末と固溶用固体ゾルをメカニカルミリングによ
り攪拌、混合したものであることを特徴とする請求項9
記載のセラミック焼結体の製造方法。11. The powdery mixture obtained by stirring and mixing a ceramic powder for a mother crystal and a solid sol for a solid solution by mechanical milling.
A method for producing the ceramic sintered body described in the above.
ックス粉末の調製途中で固溶用固体をあらかじめ混合し
たものであることを特徴とする請求項9記載のセラミッ
ク焼結体の製造方法。12. The method for producing a ceramic sintered body according to claim 9, wherein said powdery mixture is obtained by previously mixing a solid solution solid during preparation of a ceramic powder for a mother crystal.
を特徴とする請求項9乃至12のいずれか記載のセラミ
ック焼結体の製造方法。13. The method for producing a ceramic sintered body according to claim 9, wherein said solid solution is only a substitution type solid solution.
体が共に酸化物系セラミックスであることを特徴とする
請求項9乃至13のいずれか記載のセラミック焼結体の
製造方法。14. The method for producing a ceramic sintered body according to claim 9, wherein both the mother crystal ceramic and the solid solution solid are oxide ceramics.
セラミックスであると共に、前記固溶用固体が非酸化物
系セラミックスであることを特徴とする請求項9乃至1
3のいずれか記載のセラミック焼結体の製造方法。15. The ceramic for a mother crystal is an oxide ceramic and the solid for solid solution is a non-oxide ceramic.
4. The method for producing a ceramic sintered body according to any one of the above items 3.
系セラミックスであると共に、前記固溶用固体が少なく
とも酸化物系セラミックスを含むことを特徴とする請求
項9乃至13のいずれか記載のセラミック焼結体の製造
方法。16. The ceramic firing method according to claim 9, wherein the ceramic for the mother crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution contains at least an oxide ceramic. The method of manufacturing the aggregate.
系セラミックスであると共に、前記固溶用固体が非酸化
物系セラミックス及び/又は金属間化合物を含むことを
特徴とする請求項9乃至13のいずれか記載のセラミッ
ク焼結体の製造方法。17. The method according to claim 9, wherein the ceramic for the mother crystal is a non-oxide ceramic and the solid for solid solution contains a non-oxide ceramic and / or an intermetallic compound. The method for producing a ceramic sintered body according to any one of the above.
l2O3で表されることを特徴とする請求項9乃至15の
いずれか記載のセラミック焼結体の製造方法。18. The ceramic for a mother crystal according to claim 1, wherein
method for producing a ceramic sintered body according to any one of claims 9 to 15, characterized by being represented by l 2 O 3.
されることを特徴とする請求項18記載のセラミック焼
結体の製造方法。19. The method for producing a ceramic sintered body according to claim 18, wherein said solid solution solid is represented by a composition formula: Cr 2 O 3 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8326758A JPH10167802A (en) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | Ceramic sintered compact and its production |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP (1) | JPH10167802A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110698190A (en) * | 2019-10-12 | 2020-01-17 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Single-phase replacement solid solution oxide ceramic coating and preparation method thereof |
-
1996
- 1996-12-06 JP JP8326758A patent/JPH10167802A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110698190A (en) * | 2019-10-12 | 2020-01-17 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Single-phase replacement solid solution oxide ceramic coating and preparation method thereof |
| CN110698190B (en) * | 2019-10-12 | 2021-06-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Single-phase replacement solid solution oxide ceramic coating and preparation method thereof |
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