JPS6060980A - 二酸化ジルコニウム(ZrO2)からなるセラミツク成形体及びその製造法 - Google Patents

二酸化ジルコニウム(ZrO2)からなるセラミツク成形体及びその製造法

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JPS6060980A
JPS6060980A JP59122136A JP12213684A JPS6060980A JP S6060980 A JPS6060980 A JP S6060980A JP 59122136 A JP59122136 A JP 59122136A JP 12213684 A JP12213684 A JP 12213684A JP S6060980 A JPS6060980 A JP S6060980A
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mfo
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ニルス・クラウセン
マンフレート・リユーレ
ギユンター・ペツオヴ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 従来の技術 Y2O3,C1e02及び/又は他の希土類酸化物又は
MfO又はOaOで1部分安定化した微粒状又は粗粒状
Z r O2成形体は多結晶セラミックに所属し、これ
は従来測定された最高の強度及び破断抵抗値を有する。
これについての主要原因は、応力に誘発された正方晶格
子変形体の単斜晶室温変形体への変換である。例えばY
2O3を含有し少くともY2O3成分1〜6モルチを有
する成形体を、正方晶の単相か又は等方晶/正方晶の二
相で温度I’y+oo〜15501Cで焼結、熱圧縮又
は熱均衡によって圧縮する。その構造は、微粒状(0゜
1〜1.0μm)の正方晶成分(100%まで)及び若
干粗い(1〜I 011m )等方晶粒からなる(Y2
03成分:3.5〜6゜0モル%)。硬度及びlら係数
を増大するだめには、成形体は大量のAt203を含有
していてもよい。
M r O又はOaOを含有するZ r O2成形体は
、少くとも温度1690〜1800℃で等方晶の単相で
焼結する;それ故この成形体は粗粒状である(50〜7
0μm)である。
発明が解決しようとする問題点 この超堅固の特にY2O5を含有するセラミック成形体
の決定的欠点は、温度200〜550℃で空気での長時
間の灼熱後にその強度を著しく失なうことである;この
強度の減少は、空気の水分が増すにつれてか又は水蒸気
圧が大きくなるにつれて促進される( 0.’T、Ma
saki、に、Kobayasl+i。
Proc、Ann、Meeting Jap、Cera
m、8oc、 1981年参照)。むしろ熱水溶液中で
は、成形体の分解が生じ得る。この原因はまた解明され
てはいない。しかしながら粒の境界における応力の裂目
の溶食によって正方晶成形体の機械的残留応力が除去さ
れ、このようにして単斜晶形への変換が生じるか、又は
他の拡散のメカニズムによってマルテンサイトの結晶核
が表面に形成し、これによって変換が惹起し、これは最
後に成形体の分解をもたらすことが考えられる。
この決定的欠点は、いわゆるTZP−セラミツカr ’
I’7.T” +に一7ゴ+ル・、・プルコニ’?*ゼ
11汐リスタルズ(Tetragonal Zir’c
onia Po1ycrysl −a I s ) ;
 T Z P−セラミックは文献)\5cience 
andTechnology of Zirconia
 11“、八dvanccs i n OCr−ami
cs第■巻、1984年に記載されている〕の新規群を
、かXるセラミックが特に熱原動機に使用場合に著しい
利点をもたらすのにも拘らず、空気では約200℃まで
の使用温度に対して適当ならしめるに過きない。ビオセ
ラミック(腰部義肢)としての使用に対しても、この現
象は欠点である。
常用のMfOで1部分安定化したZr 02 セラミッ
ク(Mf−PSZ)も、高温度(700〜1000℃)
で長時間灼熱する場合に同じ欠点を有する。
この場合特に弱い還元雰囲気では、 MgOの迅速な拡
散又は排出速度に基づいて、表面の分解が生じる。
ところで、意外なことに本発明によって120口、Ce
O2、MりO又はOaOの多い環境5例えば’!’ 2
03又はMグOからなる粉末床中で灼熱した焼結試)已
4でid、乙の分解は牛1つないか又は減少して生じる
のに過ぎないことが判明した。
問題1点を解決するだめの手段 それ故、本発明の目的は二酸化ジルコニウムからなるセ
ラミック成形体で前述の強度の減少又は表面の分解を減
少するか又は除去することである。
この目的は、場合によりAz2o3を含有し、酸化イツ
) IJウム及び/又はCe 02及u/7は1種又は
数種の希土類酸化物及び/又はMfOで1部分安定化し
た二酸化ジルコニウムからなるセラミック成形体によっ
て解決される。この成形体はY7O30,5〜5モル係
及び/又はMrO及び/又はOaO及び1種又は数種の
希土類酸化物(例えば0c02 ) 5〜12モル係で
安定化されており、正方晶の格子変形体で30〜100
%存在し、表面領域で平均含量に比して2〜20モル係
たけ大きい含量のY2O3又は希土類酸化物及び/又は
MrO及び/又はOaOを有し、成形体は主として等方
晶か又は高安定化の正方晶の格子形で存在する薄層によ
って被覆されている。1部分安定化された等方晶の層は
、1)SZで常用の温度(1100〜1420℃)での
灼熱(ピークエージング)によってpsz状の層(即ち
正方晶析出物を有する等方晶成形体)に変換し得ること
は明らかである。
この場合本発明の薄い表面層としては、厚さ0.1〜2
00μIn 、好ましくは0.3〜30μmnを有する
層である。本発明による二酸化ジルコニウムを基質とす
る成形体は、これをY2O3,Ce(乃、tvlgo、
CaO又は/及び希土類酸化物の多い環境中で灼熱して
製造する。次に本発明をY2O5、CeO2、MfO,
OaOの使用について述へる。しかしながら、これは同
じ方法で他の希土類酸化物にあては捷ることは明らかで
ある。この表面の安定化又は熱処理は、同じようにして
常用のMfO又はOaOで1部分安定化したZ’r02
セラミックに対して利点を有する。
本発明によるセラミック成形体を製造するだめには、既
に仕上った焼結セラミック又は熱均衡によって圧縮した
セラミックからか又は比較的低温度(例えば室温)で予
価化した基体から出発することができる。セラミック又
は基体はY2O3,0e02、Mii’01OaOその
他からなる表面層を、圧縮した粉末層か又はY2O3又
はMグOを含有する泥の形で備える。これは例えばスプ
レーするか又は表面を含浸する浴の形で使用することが
できる。このようにして処理した成形体は、続いて温度
1000〜1600℃で灼熱又は焼結し、その場合処理
時間は約10分〜約100時間であってもよい。所望の
表面の安定化は、特に好ましくはセラミック又は基体を
Y2O3及び/又は0e02及び/又はMfO及び/又
はOaOからなる粉末床中で灼熱又は焼結して得られる
その際所望の拡散によって、できるだけ短時間で同時に
I) S Z状の層が得られる条件が好ましい。
セラミック成形体それ自体を製造するためには、酸化物
の混合によるか又は湿式化学的方法、例えばシンゲル、
共沈、水溶液のスプレー反応によるか又は溶解して得ら
れY2O3、0e02 、Mグ011− プt’ /u
+−) m−凸 jm(+1 1 4F61m*i−y
!>*−A>ら成形し、次いで一般に1350〜155
0℃で存在する温度で焼結又は熱均衡によって圧縮する
ことができる。次いで仕上つ人−セラミック成形体i、
前述のようにしてY2O6,0e02、MfO、、Oa
Oその他が堆積した表面層が形成する寸で、これらを被
覆するか又は相応する粉末床中で灼熱する。
基体上に安定剤の多い層を設ける場合には、通常成形体
はわずかな圧ブハ即ち約100 NiPaで予成形し、
次いで高圧、例えば200〜65ON什aで圧縮する。
しかしながら多くの場合好ましい実施形式は、仕」二つ
だ圧縮成形体の焼結か又は仕上った焼結処理成形体のM
 f O又はy 2 o 5及び/又はCeO2を含有
する粉末床中での灼熱である。
本発明によるセラミック成形体は、その他に1、同じ条
件下であるが、前記の表面処理をしないで製造した滅相
を比較して、促進された泡化に対して温度250〜40
0℃及び水蒸気圧・1〜15パールで4時間の灼熱処理
で殆んど影響を示さない。
X線写真によれば、本発明によるセラミック成形体での
この処理によって、促進された老什を蒙むらない成形体
の等方晶及び正方晶の反射だけが認められるが、比較試
料は強い単斜晶の反射を示し、これは始まった分解に対
する示唆である。この場合最良の結果は、薄い表面層は
仕上った焼結試料をMfO,Y2O3,0e02又はO
aOの粉末中で灼熱して得られるか、又はY2O3粉末
又はY2O3少くとも12モル係を含有するZrO2粉
末で処理して行ない、その際表面層はY2O3のわずか
な添加で安定化した( Y2O30,5〜5モル%、好
ましくは2〜4モル%)Zr02圧縮成形体上にプレス
するか又は粉末の水懸濁液として被覆し、焼結する場合
に得られた。しかしながら安定剤を含有する被膜の保護
作用を得るだめの重要な前提条件は、加熱すべき又は焼
結すべきZrO2試料の表面とのできるだけ密接した接
触である。
発明の効果 本発明による処理によって得られる一般に厚さ帆5〜3
0μmの安定剤を有するZ r (’) 2の薄い表面
層は、長時間の熱分解に対する保護をなす。
この層は、粒の精製のためにAz2o3を含有していて
もよい。既に前記のように、他の希土類酸化物も同じ正
の効果を示す。10 (l O”C以下の温度でのZ 
r Oz中へのY2O3の著しく緩慢な拡散r基づいて
、この層はながんず<TZI”−セラミックに対するが
、Mf又はCaで1部分安定化した常用のZrQ2(M
f−、0a−PSZ)に対して熱安定保護をなす。
実施例 例 1 試料を、y2o32モル%及びA72031.5容ff
t%を含有し、摩擦群中で水にとがしだ5i02含有す
るAz2o3粉末を4時間粉砕し、スプレー乾燥した反
応スプレー〔EDs粉末: Mvapora L 1o
nDeco+nposition or 5oluti
on 、 Am、0cran+、Soc。
Bull、 50巻(1977年]、1023頁〕粉末
から630 MPaで均衡にプレスし、空気で1450
℃で2時間焼結した。X線の反射は、主として正方晶の
構造を示しだ(粒径約0.4μm)。これから分離した
曲げ試料は、過研磨の表面状態で強度920 MPa 
(系I)及びy2o3粉末床中で1350℃で36時間
灼熱後に強度810MPa(系■)を有する。全試料を
、オートクレーブ中で400℃で水蒸気圧11バールで
4時間灼熱後に、系■の強度は420 MPaに過ぎな
かったが、系■の強度は740 MPaを有していた。
例 2 例1のようにして製造し処理したが、Y2O62モル係
を含有するのに過ぎない粉末からなる試料を、例1のよ
うにして成形した。円筒状圧縮成形体上に、1部分表面
の孔に浸透したY2O3粉末の水懸濁液を被覆した;続
いて被覆した圧縮成形体(系I)を1500℃で2時間
焼結し、次いで被膜を有しない同じ試料(系■)と−緒
に例1によ、るオートクレーブ処理を施こした。
この処理後に、系Iは正方晶及び等方晶のX線反射を示
したのに過ぎないが、これに反して系■は正方晶及び大
きい単斜晶のXi反射を示し。
これは非被覆試料の熱分解を示唆する。
例 3 例1からの粉末からなる試料を、圧力io。
MPf+で均衡にプレスし、続いてY20!、 12モ
ルを含有するZ r 02粉末からなる懸濁液をスプレ
ーしく層の厚さ約40〜200 μm)、 630 M
Paで均衡にプレスし、例1のようにして焼結した。
オートクレーブ中で灼熱処理(例1のようにして)した
後に、表面の熱分解を立証することはでき外かった。
例 4 例2による試料に、今度はAz2o320容量係を有す
るのに過きない同じ懸濁液を被覆し、その他は例1のよ
うにして処理した。この場合にもオートクレーブ中での
灼熱処理後に、分解を立証することはできなかった。
例 5 例1からの粉末に、八t2(J 3粉末〔ペチネ、つシ
ネΦクー/l/ −y ン(Pechin6e Ugi
ne Kuh!man)、A6]50容量係を例1のエ
ラにして混入した。
均衡に圧縮した円筒体(ψ約I X 1 cm )を、
1500℃で1部はY2O350重量%及び0e025
0重量係からなる泥被膜を用いないで〔系I)及び1部
はとnを用いて焼結した。系Iは研磨表面にAt205
と共に専ら正方晶Z r O2’e有していL (X線
写真で測定)が、系■は付加的に等方晶成分。
を示した。単に水蒸気圧8ノぐ−ルで例1のようにして
オートクレーブ処理後に、系Iの表面は大きい割合の単
斜晶Z r 02 k有していたが、系■は測定し得る
変位を認めることができなかった。
例 6 YO2,2モルチを含有する共沈Z r 02粉末を、
3 620MPaで均衡に圧縮した;続いで試料全空気で1
500℃で2時間焼結した。このようにして得らfl、
た成形体は、専ら平均の大きさ帆4μIn全有する正方
高校を含有していた(材料の系N)。同じようにして製
造したY2O53モル%全有する材料は、正方高校C0
04μm1]〕約80チ及び等方高校(5μm])約2
0%を有していた(材料の系Bン。
材料の系A及びBを、オートクレーブ試験に水蒸気圧5
)々−ルで250℃で2時間さらし、その場合両系は著
しく分解した。即ち主として表面の単斜晶の反射を有す
る;系Aはむしろ1部分完全に崩かいする。
系A及び13を、それぞれY2O5、Ce O2、T 
i (’) 2、MyO及びOaOからなる粉末床中で
神々の温度で各々2時間灼熱した。続くオートクレーブ
試験の灼熱温度並びに結果は、次表に記載されている。
これから、 TiO2以外の他のすべての酸化物は、特
に高温度で正の作用を発揮することが判明する。MfO
粉末床の灼熱は、比較的わずかな温度(1120℃]で
も既に有効である。
系A及びBを、未焼結圧縮成形体としてそれぞれY2O
5、C! e O2、OaO及びMyOからなる粉末床
中で1500℃で2時間焼結した(空気で)。
前2のオートクレーブ試験は、同じようにして表面の分
解をもたらさなかった。
粉末床の灼熱処理、次いでオートクレーブ試験:2時間
、水蒸気圧5パール、250℃。
−著しい分解 ○若干分解 +熱処理表面は殆んど影響さ几ない 例 7 M、0で1部分安定化しM、03.3重@%を有する常
用のZr02(M、−PSZ) k、空気で1700℃
で2時間溶解灼熱処理(醇解焼なまし)シ、続いて室温
に迅漣に冷却した後にs Y2”3 粉末中テ1”42
0℃での灼熱に2時間さらした。非処理試料での表面の
単斜晶成分は、920℃での弱い還元性雰囲気中で10
0時間後に最初の15係から32係に増大しだがs ’
 Y2O3中で灼熱した試料での単斜晶成分は測定し得
る範囲の下方、即ち〈〜4チであった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 場合によりAt2o5を含有し、酸化イツトリウム
    及び/又は1種又は数種の希土類酸化物(例えばCe0
    2)及び/又はMfO及び/又はOaOで1部分安定化
    した二酸化ジルコニウムからなるセラミック成形体にお
    いて、Y2O30,5〜5モル係及び/又はMfO及び
    /又はOaO及び/又は0e02又は1種又は数種の希
    土類酸化物5〜12モル饅で安定化され、正方晶の格子
    変形体で30〜100チ存在し、表面領域で平均含量に
    比して2.〜20モル係だけ大きい含量のY2O3,0
    e02、MfOlCaO又は希土類酸化物を有し、成形
    体は高安定化の正方晶又は主として等方晶の格子の形で
    存在する薄層によって被覆されているセラミック罰形石
    ト 2、 場合によりAt2o3を含有し、酸化イツトリウ
    ム及び/又は1種又は数種の希土類酸化物(例えば0e
    02 )及び/又はMf’O及び/又はCaOで1部分
    安定化した二酸化ジルコニウムからなるセラミック成形
    体を製造する方法において、既に焼結又は予価化し1部
    分安定化したZ r O2からたる成形体を、Y2O5
    ,0e02.MfO。 CaO又は/及び他の希土類酸化物粉末又はY2O3少
    くとも12モル係及び/又は他の安定剤酸化物を含有す
    るZ r O2粉末と緊密に接触させ、次いで1000
    〜1600℃で厚さ0.1〜200/4n及び2〜20
    モル係大きい含量のY2O5、CeO2、MfO,Oa
    O又は希土類酸化物の高安定化正方晶又は主として等方
    晶の表面層が形成するまで灼焼することを特徴とする、
    セラミック成形体の製造法。 3、Y2O5,0e02、Mfo、OaO又は希土類酸
    化物との表面の接触を、粉末床への挿入、スプレー又は
    粉末層の圧縮又は粉末懸濁液での処理によって行なう、
    特許請求の範囲第2項記載の方法。 4.1350〜1550℃で焼結又は/及び熱均衡によ
    って圧縮し1部分安定化したZrO2からなる成形体を
    特徴する特許請求の範囲第2項又は第3項記載の方法。 51部分安定化したZrO2からなる未焼結の圧縮体(
    基体)を処理し、1350〜1550℃で焼結する、特
    許請求の範囲第2項又は第3項記載の方法。 6、Mf07〜11モル係で1部分安定化し温度169
    0〜1800℃で焼結したZ r 02成形体を、Y2
    O3及び/又は0e02及び/又は他の希土類酸化物の
    粉末中で温度1350〜1550℃で1〜5時間灼熱す
    る、特許請求の範囲第2項又は第3項記載の方法。 7、 安定剤としてY2O3又は希土類酸化物2〜4モ
    ル係を含有する焼結成形体又は基体を特徴する特許請求
    の範囲第2項から第6項までのいずれか1項記載の方法
JP59122136A 1983-06-16 1984-06-15 二酸化ジルコニウム(ZrO2)からなるセラミツク成形体及びその製造法 Pending JPS6060980A (ja)

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