JPS591232B2 - ジルコニア焼結体の製造方法 - Google Patents

ジルコニア焼結体の製造方法

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JPS591232B2 JP54125589A JP12558979A JPS591232B2 JP S591232 B2 JPS591232 B2 JP S591232B2 JP 54125589 A JP54125589 A JP 54125589A JP 12558979 A JP12558979 A JP 12558979A JP S591232 B2 JPS591232 B2 JP S591232B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐熱衝撃性に優れ、かつ高焼結密度を有するジ
ルコニア焼結体の製造方法に関するものであり、更に詳
細には原料としてのジルコニア粉末と安定化剤とに特定
量の部分安定化ジルコニア粉末を混合、成形、焼結し、
特定温度で熱処理せしめることによる極めて耐熱衝撃性
に優れ、かつ高焼結密度を有するジルコニア焼結体の製
造方法に関するものである。
従来ジルコニア焼結体の製造方法においては原料として
ジルコニア粉末を単独で焼結させる場合、1000℃近
辺で単斜晶系(以下モノクリニックと称する。
)から正方晶系(以下テトラゴナルと称する。
)に大きな体積変化を伴なう相転移を生起し、昇温、冷
却の過程で焼結体が破壊するに至るので、ジルコニアに
CaO,MgO,Y2O3等の安定化剤を一種又は二種
以上添加固溶させ立方晶系(以下キュービックと称する
)となして破壊を防止している。
この様にして得られた焼結体のうちキュービック結晶構
造のみからなるジルコニアは完全安定化ジルコニアと称
され、耐熱性部材、固体電解質として酸素センサー等の
用途に供されているが、完全安定化ジルコニア焼結体は
熱膨張係数が比較的大きく、自動車内燃機関の排ガス中
のごとく急激な温度変化を伴う雰囲気においては焼結体
内部に過大な熱応力が発生し、使用に耐えない。
それ故完全安定化ジルコニア焼結体の耐熱衝撃性を改良
するための方法が種々検討されており、例えばキュービ
ックの結晶構造に安定化した焼結ジルコニアに、モノク
リニックの結晶構造を5乃至35重量%共存させて成る
酸素センサー用ジルコニア焼結体が提案されている。
(特開昭53−128612号公報) 上記焼結体は焼結体中に存在せしめたモノクリニック構
造体が該焼結体製品の使用過程においてモノクリニック
→テトラゴナル→モノクリニックの結晶変態(相転移)
を起し、モノクリニックの結晶部分に体積変化が生起し
ばらばらとなり、該結晶構造部分に間隙が生じるので、
これを利用してキュービック部分に生じる熱応力を吸収
せしめ耐熱衝撃性を改良したものであり、完全安定化ジ
ルコニア焼結体に比較して耐熱衝撃性の改良効果は有す
るものの、過酷な使用雰囲、例えば溶融鉄中の酸素濃度
測定用センサー等への適用に対しては必ずしも満足しう
る結果を与えず、更に耐熱衝撃性に優れたジルコニア焼
結体の出現が望まれているのが現状である。
かかる事情下に鑑み、本発明者らは耐熱衝撃性に著しく
秀いで、かつ酸素センサーとして必要とされる高焼結密
度を有するジルコニア焼結体を得るべく鋭意研究を行な
った結果、原料としてジルコニア粉末と安定化剤とに特
定量の部分安定化ジルコニア粉末を混合、成形、焼結せ
しめた後、特定温度で熱処理せしめ特定の結晶構造と粒
子構成よりなる焼結体とした場合には、上記要件をすべ
て満足しうるジルコニア焼結体が得られることを見い出
し本発明を完成するに至った。
すなわち本発明はジルコニア粉末に安定化剤を添加し焼
結せしめた後、粉砕した部分安定化ジルコニア粉末10
〜50重量%とジルコニア粉末と安定化剤90〜50重
量%の割合で混合、成形し、該成形体を焼結し、次いで
1200〜1500’Cの温度で熱処理(アニール)せ
しめることにより焼結体組織が70重量%以下のキュー
ビック体の結晶構造を有し、かつ焼結体構成粒子径が1
〜30μの粒子5〜40重量部、30〜200μの粒子
95〜60重量%より成る焼結体を得ることを特徴とす
るジルコニア焼結体の製造方法を提供するにある。
以下本発明方法を更に詳細に説明する。
本発明方法の実施に際し使用される原材料はジルコニア
粉末、安定化剤と予めジルコニア粉末と安定化剤を混合
し焼結した後粉砕した一部焼結体中にモノクリニック結
晶構造を有する部分安定化ジルコニア粉末であり、これ
らを十分混合して成形に供される。
ジルコニア粉末に添加混合される安定化剤としては、該
ジルコニア焼成体を得る目的で使用されている公知の安
定化剤であればいずれでも使用でき、例えばCaO,M
gO,Y2O3等の安定化剤を一種又は二種以上混合し
て用いればよく、添加量も15モル%以上、好ましくは
3〜10モル%の範囲で使用され、この割合は部分安定
化ジルコニア粉末の調整時の混合割合についても同じで
ある。
原料ジルコニア焼結体未定化剤、部分安定化ジルコニア
粉末の粒径については特に制約はないが、通常約20μ
以下、好ましくは10μ以下のものが適用される。
本発明において原材料の混合割合は、原材料中部分安定
化ジルコニア粉末10〜50重量%、ジルコニア粉末と
安定化剤が残部、すなわち90〜50重量%である。
部分安定化ジルコニア粉末の混合添加量が50重量%を
越えると酸素センサーとして要求される高い焼結密度(
例えば5.4g/ff1以上)の製品を取得することが
できず、他方10重量%より少ないと、焼結体中の粗粒
割合が増加し、特定された所望の粒子構成を有する焼結
体が得られず、耐熱衝撃性の向上が達成しえず、さらに
部分安定化ジルコニア粉末を用いない場合には、粒度配
合により焼結、熱処理後の粒子構成が先に特定した所望
の粒子構成となるごとく製造しても(例えば、原料ジル
コニア粉末と安定化剤を予め1〜30μの粒子5〜40
重量%、30〜200μの粒子95〜60重量%となる
ごとく調合し、焼結、熱処理する。
)高焼結密度を有するジルコニア焼結体を得ることがで
きない。
本発明において、このような割合で混合調整した部分安
定化ジルコニア粉末とジルコニア粉末および安定化剤よ
りなる混合物は、次いで公知の方法で成形、焼結し、更
に1200〜1500℃の温度で熱処理される。
しかして熱処理後得られる焼結体の結晶構造が70重量
%以下、好ましくは10〜50重量%のキュービック体
により構成され、かつ焼結体の構成粒子径が1〜30μ
の粒子5〜40重量部、30〜200μの粒子が残部、
すなわち95〜60重量%よりなるジルコニア焼結体を
得るものである。
該焼結体中に占めるキュービック体結晶構造が70重量
%を越えると、得られた焼結体の熱膨張係数が大きくな
り、耐熱衝撃性の向上がみられず、適当ではない。
また焼結体の構成粒子径のうち1〜30μの粒子が5重
量%より少ない場合及び30〜200μの粒子が95重
量%を越える場合には熱衝撃強度が低く、一方1〜30
μの粒子が40重量%を越え、30〜200μの粒子が
60重量%より少なくなると、酸素センサーとして要求
される高い焼結密度を有する焼結体を取得することがで
きない。
かかる物性を有する焼結体を得るためには原料ジルコニ
ア粉末の混合割合、焼結条件、熱処理条件等の要因を管
理制御する必要があり、焼結条件としては1500〜1
900℃、好ましくは1600〜1800℃の温度で、
30分〜30時間、好ましくは1時間〜15時間焼結さ
れ、その後の熱処理条件としては1200〜1500℃
、好ましくは1250〜1350℃の温度で、1〜30
時間、好ましくは5〜20時間熱処理される。
熱処理を実施しない場合には例え他の条件を本願発明で
特定したと同一条件範囲に入るごとく制御するも耐熱衝
撃性の改良効果は極めて少ない。
尚、本発明方法において使用する原料としてはジルコニ
ア粉末と安定化剤のみについて記載したが、これはあく
まで主成分であって、ほかに本発明の効果を損ねない範
囲でシリカ、アルミナ、チタニア、カオリン、ムライト
等の当該分野において公知の焼結促進剤、粒成長助剤を
使用することはもちろん可能である。
以上本発明方法を詳述したが個数本発明方法により耐熱
衝撃性に優れ、かつ高焼結密度を有するジルコニア焼結
体が得られるか詳らかではないが、各種多様の原料組合
せ、焼結条件、熱処理の有無、熱処理条件等これら多数
の要因の解析実験として得られた膨大な焼結体の物性検
査の結果として、■ジルコニア粉末原料として部分安定
化ジルコニア粉末の混入、■熱処理の必要性、■焼結体
中のキュービック結晶構造体の割合および■焼結体を構
成する粒子径を特定した場合に従来のジルコニア焼結体
に比較して著しく耐熱性にすぐれ、酸素センサーとして
要求される高い焼結密度を有するジルコニア焼結体が取
得しうることを見い出したものであり、その工業的価値
は頗る犬なるものである。
以下実施例により本発明方法を更に詳細に説明するが、
該実施例は本発明を限定するものではない。
実施例 1 市販のジルコニア(純度99%以上、粒径1μ)97重
量部と市販の軽質マグネシア3重量部とをボールミルで
混合、1500℃で1時間焼成した後、該焼成品を振動
ミルを用いて粉砕し、平均粒径1.5μのキュービック
結晶構造体を60重量%含有する部分安定化ジルコニア
粉末を得た。
この様にして得た部分安定化ジルコニア粉末20重量部
に、部分安定化ジルコニア粉末の製造に用いたと同じジ
ルコニア粉末と軽質マグネシアの混合物80重量部を混
合し、バインダーとしてグリセリンを加え、ラバープレ
スで成形し、更に該成形品を旋盤加工して内径4.5
mrn、外径7.0 mmの一端が閉じ、他端が開口し
た一端閉管を製作し、短管を1700°Cで10時間焼
結処理後、100℃/時間の割合で降温し、1300℃
で10時間熱処理した。
熱処理後得られたジルコニア焼結体の物性値は下記の通
りであった。
嵩 密 度 5.5g/i吸 水
率 0.07%キュービック体結晶の含
有率 44重量%構成粒子径 1〜30μ=15
重量%30〜200μ:85重量% この焼結体の耐熱衝撃性を調べるために、該焼結管を高
周波炉で溶融させた1650℃の溶融鉄中に予熱なしで
浸漬、30秒保持後取り出し放冷して管表面の状態を調
べたが、クラッチは認められなかった。
比較例 1 実施例1で用いた部分安定化ジルコニア粉末を用いない
以外、すなわち原料ジルコニア粉末として市販のジルコ
ニア粉末97重量部と市販の軽質マグネシア粉末3重量
部を用い、実施例1と同一条件で成形、焼結、熱処理を
行なった。
熱処理後得られたジルコニア焼結体の物性値は下記の通
りであった。
嵩 密 度 5.5g/i吸 水
率 0.11%キュービック体結晶の含
有率 55重量%構成粒子径 30〜200μ:は
ぼ100重量%この焼結体を実施例1と同様に1650
℃の溶融鉄中に30秒浸漬し、放冷して管表面を調べた
ところ、目視で明確に検出されるクラックの生起が認め
られた。
比較例 2 部分安定化ジルコニア粉末を用いず、粗粒シルコニ゛ア
粉末97重量部と市販の軽質マグネシア3重量部を粉砕
篩別して1〜30μ粒径の粒子が20重量部、30〜2
00μ粒径の粒子が80重量部の割合で混合し実施例1
と同一条件で成形、焼結、熱処理を行なった。
熱処理後得られたジルコニア焼結体の物性値はキュービ
ック体結晶含有率が55重量%、構成粒子径は1〜30
μのものが20重量%、30〜200μのものが80重
量部であったが、嵩密度は4.9g/iであり焼結密度
が低く酸素センサーとしての実用に供し得るものではな
かった。
実施例 2 第1表に示す条件を代えたほかは実施例1と同様の方法
を用いてジルコニア焼結体を製作し、得られた焼結管に
つき、実施例1と同一条件で耐熱衝撃性のテストを試み
た。
その結果を第1表に示す。
147−

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 ジルコニア粉末に安定化剤を添加し焼結せしめた後
    、粉砕した部分安定化ジルコニア粉末10〜50重量%
    と、ジルコニア粉末と安定化剤90〜50重量%の割合
    で混合、成形し、該成形体を焼結し、次いで1200〜
    1500℃の温度で熱処理せしめることにより焼結体組
    成が70重量%以下のキュービック体の結晶構造を有し
    、かつ焼結体構成粒子径が1〜30μの粒子5〜40重
    量%、30〜200μの粒子95〜60重量%よりなる
    焼結体を得ることを特徴とするジルコニア焼結体の製造
    方法。
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