JPH10167802A - セラミック焼結体及びその製造方法 - Google Patents
セラミック焼結体及びその製造方法Info
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- JPH10167802A JPH10167802A JP8326758A JP32675896A JPH10167802A JP H10167802 A JPH10167802 A JP H10167802A JP 8326758 A JP8326758 A JP 8326758A JP 32675896 A JP32675896 A JP 32675896A JP H10167802 A JPH10167802 A JP H10167802A
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Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 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
5を形成、分散させた。前記固溶が置換型固溶のみであ
る。前記母結晶用セラミックスが組成式Al2O3で表さ
れる。前記固溶用固体が組成式Cr2O3で表される。
ク焼結体及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 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
5を形成、分散させた。前記固溶が置換型固溶のみであ
る。前記母結晶用セラミックスが組成式Al2O3で表さ
れる。前記固溶用固体が組成式Cr2O3で表される。
Description
【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。
体及びその製造方法に関する。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
が置換型固溶のみであることにある。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
晶用セラミックスが組成式Al2O3で表されることにあ
る。
【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。
用固体が組成式Cr2O3で表されることにある。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
溶が置換型固溶のみであることにある。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
結晶用セラミックスが組成式Al2O3で表されることに
ある。
【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。
溶用固体が組成式Cr2O3で表されることにある。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
型固溶、又は侵入型固溶を伴う置換型固溶がある。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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 )。
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 )。
【0045】
【数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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0070】
【表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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0081】
【表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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【図1】Al3+及びCr3+の配位状態を示すモデル図。
【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。
ル図。
【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。
縮応力(残留応力)のグラフ。
【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。
rO6〕クラスター間の距離の関係を示すグラフ。
【図5】実施例1の工程図。
【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。
におけるCr2O3の混合量と硬度の関係を示すグラフ。
【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。
におけるCr2O3の混合量とヤング率の関係を示すグラ
フ。
【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。
におけるCr2O3の混合量と破壊靱性の関係を示すグラ
フ。
【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。
におけるCr2O3の混合量と破壊強度の関係を示すグラ
フ。
【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。
体におけるCr2O3の混合量と平均粒径の関係を示すグ
ラフ。
【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。
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。
1 Al3+ 2 Cr3+ 3 O2- 4 〔AlO6〕クラスター 5 〔CrO6〕クラスター
Claims (19)
- 【請求項1】 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、分散させたことを特徴とする
セラミック焼結体。 - 【請求項2】 前記固溶が置換型固溶のみであることを
特徴とする請求項1記載のセラミック焼結体。 - 【請求項3】 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を特徴とする請
求項1又は2記載のセラミック焼結体。 - 【請求項4】 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を特徴とする請求項1又は2記
載のセラミック焼結体。 - 【請求項5】 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を特徴とする請求項
1又は2記載のセラミック焼結体。 - 【請求項6】 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を特
徴とする請求項1又は2記載のセラミック焼結体。 - 【請求項7】 前記母結晶用セラミックスが組成式Al
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。 - 【請求項8】 前記固溶用固体が組成式Cr2O3で表さ
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。 - 【請求項9】 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。 - 【請求項10】 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。 - 【請求項11】 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。 - 【請求項12】 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。 - 【請求項13】 前記固溶が置換型固溶のみであること
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。 - 【請求項14】 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。 - 【請求項15】 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。 - 【請求項16】 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。 - 【請求項17】 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。 - 【請求項18】 前記母結晶用セラミックスが組成式A
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。 - 【請求項19】 前記固溶用固体が組成式Cr2O3で表
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8326758A JPH10167802A (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | セラミック焼結体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8326758A JPH10167802A (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | セラミック焼結体及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10167802A true JPH10167802A (ja) | 1998-06-23 |
Family
ID=18191367
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8326758A Pending JPH10167802A (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | セラミック焼結体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10167802A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110698190A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-01-17 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法 |
-
1996
- 1996-12-06 JP JP8326758A patent/JPH10167802A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110698190A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-01-17 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法 |
| CN110698190B (zh) * | 2019-10-12 | 2021-06-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法 |
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