JPS61106455A - ジルコニアセラミツクス - Google Patents

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】 本発明は種々の電子機器の基板、例えは薄膜磁気ヘッド
のスライダーや磁気記録ディスクの基板など、また断熱
材などに使用するのに適したジルコニアセラミックスの
組成に１するものである。

このような用途に使用されるセラミックスとしては、機
械加工性に浸れていることがまず要求される。すなわち
、加工時の切削抵抗の少ないことや、切断ブレードなど
への目づまりのないことなどが要求される。また、加工
時に加工された部分の結晶粒の脱落が起るがこの脱落部
分が出来るだけ小さいことが望ましい。そのためには、
結晶粒が小さいことが望ましい。

また、これらの用途においては摺動性に唆れていること
も必要であるが、従来提案されていたＡｔ＝ｏ、、　Ｔ
ｉＯ，１％セラミックスは摺動性に劣っていた。

そこで、本発明は加工性がよく更に摺動性にも浸れてい
るジルコニア系セラミックスを提案するものである。

本発明のジルコニアセラミックスは、周期率表ＩＶ＆、
　ＶＩＬ　、Ｍａ族から選ばれた少くとも１糎類の元素
の炭化物をα４〜，２＆３ｗｔ％、アルミナをα３４／
Ｖ２＆５ｗｔ％を含み、残部か実質的にジルコニア部分
からなることを特徴とする。望ましくは、炭化物量を０
７Ｍ、２ｗｔ％、アルミナ量を０８〜＆１ｗｔ％含む。

ジルコニア相に炭化物微粒子、特にＴｉＧ微粒子、やア
ルミナ微粒子を分散させることによりジルコニア相の結
晶粒の成長を防ぎ、マ）　ＩＪラックス結晶粒を微細化
Ｔる働きがあるものと考えられる。不純物としては通常
許容される程度の５ｉｎｓ　、７＠ｍｏａは、含有する
ことが出来るが、１ｈｓ漠ＯＢの量はα１ｗｔ％以下に
することが望ましい。＄１０漠の量は５ｗｔ％までは問
題にならない。また、通常はジルコニア相に固溶されて
いると考えられているＹ　＊　Ｏｓ　％　ＯａＯｌｌｌ
ｇｏなどが部分的に析出して来て、分散粒子となり、あ
るいは添加したＴｉＯや）ｄ−１０３などと結合あるい
は反応した微粒子としてジルコニア相中に分散すること
もあるが、これは問題ではない。Ａｔ、０３とＴｉＯは
上述のようにジルコニア相中に分散して、結晶粒の粗大
化するのを防ぐか、同時にジルコニアセラミックスを切
削スる際に、高硬度の炭化物がドレッシングの役割をし
て、ダイヤモンドブレードの目づまりを防止する０ ジルコニア相としては安定化ジルコニア相、すなわち立
方晶ジルコニアであることが望ましい。

立方晶ジルコニアは摺動特性に優れる。

ジルコニア相を安定化するには、Ｙ＊　Ｏａ　％　Ｍｇ
０ｓ　ＯａＯ等の安定化剤を添加する。これらの安定化
剤を添加しないジルコニアは高温（ｚ４００℃以上）で
は立（狛ｔｘｏｏ℃以下）では単斜晶（ｍ−相）となる
。そこで、安定化剤の量がきわめて少い場合、ジルコニ
アは常温ではｍ−相になるが、安定化剤の量を増加する
とｔ−相が常温で存在するようになり、更に安定化剤の
量を増やすと常温でも〇−相で存在することになる。

そこで本発明のジルコニアセラミックスにおいては、そ
のジルコニア相には常温においても立方晶ジルコニアと
して存在するだけの安定化剤を含有させることが望まし
い。Ｙ、Ｏ，の場合、ジルコニア相のなかに５〜２０ｍ
ｏｔ％含有され、残部実質的にＺｒＯ意であることが望
ましい。しかし、鰺や０（転）も回込 時に含有されても問題ない。

このような安定化剤が過剰に含まれた場合、立方晶ジル
コニアのなかにＹ４Ｚｒ３０ｘ　寓のようなＺｒＯ＊−
ＹｍＯｓの化合物が析出して、摺動特性の劣化、強度の
低下をまねく。そこで２０ｍｏｔ％以上のＹ、Ｏ，を含
有することは撮ましくない。安定化剤か少くなると上に
述べたように、を相やｍ相も生じてくるか常温でｍ相が
生じると、その際体積膨張を伴なう。

基板への膜付け、パターン付けの際の数百℃までの加熱
や冷却に起因してｍ相が生じると基板の反りやパターン
ずれが生じるおそれがある。そこで安定化ジルフェアに
するための安定化剤の下限値は約５πｏＬ％である。Ｙ
、Ｏ，の含有量は５　ｍｏｔ％以上でできるだけ少いこ
とがよく、より適当な量は約５〜約１０ｍｏｔ％である
。

ジルコニア相の結晶粒径は１２μｍ以下であること−が
望ましい。より望ましくは、１０μｍ以下である。

正方晶ジルコニアの結晶粒径は通常的１５μｍであるが
、１２μｍ以下にすることによって機械加工性が向上し
、チッピングの大きさも小さくすることができる。

更に、本発明のジルコニアセラミックの相対密度（理論
密度と比して）は９９％以上であることが望ましく、ボ
アの極めて少ないものとなっている。

このように高い密度を持つので、摺動特性の憂れたもの
となる。

本発明のジルコニアセラミックスを製造するには、Ｚｒ
Ｏ＠微粉末、ＹｍＯｓ粉末、ｌＴｈ５　Ｖａ　％　Ｍ’
族元素の炭化物（例えＩｆＴｉＯｌＺｒＯ、ＨｆＯ、Ｖ
’Ｏ、ＮｂＯｌＴａＯｌｗｏ）粉末及びＡＡ１０５粉末
を所定の割合で配合し、十分混合し、これを乾燥させ、
少量のバインダーを加えて造粒する。この造粒粉を得る
べき形状のキャビティを持ったプレス機で成形体に予備
成型する。この成形体を真空中で１４００℃〜１６００
℃の温度でホットプレスして焼結体としてジルコニアセ
ラミックを得る。

このホットプレスを行う時の温度は得られたジするため
に必要である。しかし、１６００℃以上にすると、安定
化ジルコニアの結晶粒の粒成長か著しくなるので１６０
０℃以下でホットプレスすることが望ましい。

ホットプレスで得たジルコニアセラミックスは用途に応
じて必要とする形状にダイヤモンドブレードで切断し、
グラインダーなどで仕上加工をする。ｄた必要に応じて
磁気コア、信号コイル、絶縁膜を付けて用いられる。こ
の絶縁膜としては数１０．１ｍ厚さにスパッターで付け
たＡ２１０ａが使用される０度も高くボアがほとんどな
い。

更に、機械加工性が良好なとで、微細な加工を行うこと
ができる。

本発明のジルコニアセラミックスについて、以下例を示
す。

例１ 平均粒径α０３１１ｍのＺｒ０ｉ微粉末とＹ、Ｏ，粉末
、さらに代表的なＩＶａ、Ｖａ　、　Ｍａ族遷移元素の
炭化物（Ｔ１０、Ｚｒ０ｗ０１ｖＯ１ＮｂＯ１’ｒａａ
、ｗｏ）粉末及びＡｔ１Ｏａ粉末を表１に示す割合に配
合し、純水を溶媒としてアルミナボールミルで２４時間
混合した。混合溶液を乾燥し１０％の范溶液を添加して
らいかい機で造粒後、１ｔｏｎ／ｃｙＰの圧力で８０φ
×６〜７の成型体に予備成型した。次にこれを真空中１
４５０℃Ｘ　３００に９／　（１！ｊｌ禽Ｘｌｈの条件
下でホットプレスした。

焼結体の密度は水中亀換法で測定し理論密度を除して相
対密度を求めた。曲げ強度試験は焼結体をダイヤモンド
ブレードで切断し４　ｔｌｌ　Ｘ　３　ＩＩＩ　Ｘ３５
ｍ＋１１の試験片を使用し、１１８４点曲げて測定した
。またボア１１！祭、ビッカース硬度測定（荷電２００
ｇ　）は試片の一部を鏡面研摩して行った。比抵抗の測
定には１α角の試片を用い、４端子法の一種であるバラ
法で測定したが、比抵抗が高いときには両面に銀ペース
トを塗布し絶縁抵抗を決めた。また、摩耗テストを行い
、摩耗量を測定し、ジルコニアの摩耗量を１００とした
ときの相対比較を行った。加工性は、鏡面研摩した試片
にダイヤモンドブレードで溝を入れラッピング面と切削
向の共に生ずるチッピングの大小で比較した。また摺動
特性は１焼結体から実際の薄膜磁気ヘッドの形状に切り
出し、磁気ディスクと接触させてディスクを回転し、特
性を比較した。以上の測定結果を第１表に示す。

加えたジルコニアセラミックスである。いずれも助剤と
してＡｔ２０５を２ｗｔ％添加しである。また、Ａ縁は
助剤として−をα５ｗｔ％添加し、１６５０℃でホット
プレスしたものである。

相対ＷＡｊはＡｌｔｏｓ　　ＴｉＯを除いてすべて９９
％以上に緻密化しており、また鏡面のボア観察において
もほとんどボアは観察されず、基板としての基本的特性
である表面にボアが存在しないという条件を満している
ことがわかった。これはマトリックスであるＺｒ０１が
Ａｔ、０．に比べて焼結性が元来良好である上に、圧力
下で焼結していることに起因するものと思われる。

ビッカース硬さはＡｔ寓Ｑ５　ＴｉＯに比べ、ＺｒＯ２
の方が小さいが炭化物を加えることにより、Ｈｖは１４
００〜１５５０と１００〜２００程上昇する。そのため
、耐摩耗性も向上する曲げ強度はマトリックスの強度に
強く影暢を受けるため、残留正方晶の多いＡ７に比べ、
ｚｒＯｌｌ及びＺｒ０１−炭化物系では強度は小さいが
基板材としては十分な強度である。また比抵抗は３０ｖ
ａ１％の炭化物を複合化した場合、炭化物粒子の平均粒
径、分布状態によって大きな差異が存在するがそれでも
マトリックスのｉｒｏ　１に比べ導電性は大幅に向上さ
れており、帯電防止という点では好ましい彰巻を与える
。

溝入れの際のチッピングは炭化物を添加するとチッピン
グの量、大きさは小さくなり加工性は向上した。摺動特
性は柘０ｓ−ＴｉＯの場合、短時間でディスクに傷をつ
けるため基板材としてあまり好ましくないのに対し、Ｙ
、Ｏｓを十分に入れた安定化ジルコニアでは長時間のデ
ィスク回転に船え、摺動特性は良好である。

例２ 表２に示す組成のジルコニアセラミックスを例１と同じ
製造条件で作成した。これを加工し、鏡面にラッピング
して、？径のウェハーとした。この試料について、結晶
径径Ｓ耐チツピング性１切削抵抗加工性、切削面の肌の
状況、摺動特性を測定した。

耐チッピング性はダイサーによる真入れ加工の際に鵜に
苑するチッピングの大きさく表では最大チッピング深さ
で°示す）及びアルミナ族の欠けによって測定した。ア
ルミナ膜はセラミック基板上に約４０μｍ厚さにスパッ
ターリングで形成し、これにダイサーで滴入れ加工した
時に基板とともにアルミナ膜か欠けた時のその部分の欠
けの幅で示した０ 切削抵抗は外周スライサーで、スライサーに加わる応力
を圧電素子を用いて測定した。

摺動特性は磁気ディスクを回転させて、これにジルコニ
アセラミックスを接触摺動させるＯ８Ｓテストによって
判定した。

ＡＪａＯａ、ＴｉＯを添加しないＡ１２及び１４のジル
コニアの場合、切削抵抗力は非常に大きく切削面の肌の
状態も良くなかった。チッピング深さは結晶粒径の小さ
いＡ１２では小さいか、ｙ意ｏｓｍを増加し粗大な立方
晶が多く墓１４では大きくなった。ＴｉＯ、ＡＪ！、＊
Ｏａを単独に添加したＡ１＋５．１６では結晶粒がある
程度微細化されるためチッピング深さはある程度減少す
るが切削面の肌の状態は大きさは改善されない。

それに対しＴｉＯとＡｌ−ｍ０ａを同時に添加したＡ１
３及び轟１７〜２５の場合にはチッピング量は４１４に
比べｂ程度に減少しました切削抵抗力も小さく切削面の
肌の状態も良好であり、スライダーを９０本加工後も切
削面は最初とはとんど変わりはない。またアルミナ膜の
欠けも非常に小さい。

Ａ２５はＴｉＯを４０ＶｏＬ％と非−常に多く添加した
場合であるが、チッピング切削抵抗共に小さいが摺動特
性が悪い。

以上の実験から明らかなように、ジルコニアセラミック
スは摺動特性に表れている１゜しかし、炭化物を３０Ｖ
ｏＬ％を越えて加えたものは少し摺動特性が落ちる。そ
れでも、Ａｔ、０３−’ｌ’ｌＱ糸よりも優れているＯ ジルコニアセラミックスに炭化物、アルミナを分散させ
たものは、耐摩耗性に凝れている。

Ｏ相のジルコニアであっても、ＡＬｉＯａ　、ＴｉＯを
分散させると結晶粒径が小さくなり、チッピング量が小
さくなる。このため加工性が良好になる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周期率表IVａ、Ｖａ、VIａ族から選ばれた少くとも
   １種類の元素の炭化物を０．４〜２６．３ｗｔ％、アル
   ミナを０．３４〜２２．５ｗｔ％を含み、残部が実質的
   にジルコニア部分からなることを特徴とするジルコニア
   セラミックス。 ２、ジルコニア部分は実質的に立方晶ジルコニアである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジルコニ
   アセラミックス。 ３、周期率表IVａ、Ｖａ、VIａ族の元素の炭化物が炭化
   チタンであることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載のジルコニアセラミックス。 ４、ジルコニア部分は酸化イットリウムを５〜２０ｍｏ
   ｌ％含み残部が実質的に酸化ジルコニウムであることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載のジルコニアセラ
   ミックス。 ５、ホットプレスを行つて理論密度の９９％以上にした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のジルコニ
   アセラミックス。