JP2017516741A - 焼結されたセラミック材料、焼結されたセラミック材料を得るための粉末組成物、その製造方法及びセラミック部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、イットリア−安定化ジルコニア粉末から得られる、高い破壊靱性、及び高い曲げ強度を有する焼結されたセラミック材料、前記材料を得るための粉末組成物、焼結されたセラミック部品、及びそれらの製造方法を開示する。本発明における解決法の一つは、イットリア−安定化ジルコニア粉末から得られる焼結されたセラミック材料であり、１．８から２．１モル％の間でイットリアを含み、焼結された当該セラミック材料は、正方晶相のパーセントが室温で９０％よりも高く、０．１から０．２５μｍの間の粒のサイズを有し、曲げ強度が１１５０〜２１００ＭＰａの間であり、同時に１０ＭＰａ・ｍ１／２よりも大きい靱性を有する。この材料は、とりわけ自動車部門用の部品、種々の機械用の部品、時計のような装飾用途、又は生物医学用の部品等を含む、種々の焼結されたセラミック部品に適用されてもよい。

Description

本発明は、イットリアで安定化されたジルコニア粉末から得られる、高い破壊靱性及び曲げ強度を有する焼結されたセラミック材料、前記材料を得るための粉末組成物、焼結されたセラミック部品、その製造方法及び可能な用途を開示する。

本材料は、とりわけ、自動車部門用の部品、種々の機械装置用の部品、又は生物医学的応用用の部品等の、種々の焼結セラミック部品に使用されてもよい。

セラミック材料、特に、構造材の用途が予定されているセラミック材料は、破壊靱性に関し高い制限を有する。この制限を克服するため、世界中の研究が、高い破壊靱性を有し、屈曲強度を損なわない焼結されたセラミックを得る方法の発見に焦点を当てている。この目的を達成するため、過去３０年間、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、一般にジルコニアとして知られているものの特性に関する研究に注意が向けられてきた。なぜなら、既知のセラミックの中で、酸化ジルコニウムは、その正方晶相で安定化されているとき、約１０００〜１３００ＭＰａの値を有することができる曲げ強度と、約６〜１０ＭＰａ・ｍ^１／２の値を有することができる破壊靱性との間の優れた関係性を示す材料だからである。「セラミック鋼」という名前で呼ばれるこの値の組み合わせを得ることは、「変態強化（transformation toughening）」たる相変態の機構の発見と関連している。「変態強化」はこの材料の特性であり、正方晶相から単斜相への変化の際に起こり、約５％の体積の増加が伴い、破壊が進行するときに誘起される応力の吸収を可能にし、従ってその靱性を相当に増加させる。

ジルコニアにおける高い靱性の鍵である、このエネルギー吸収の機構を理解するためには、相当する相図を調べなければならない。純粋なドープされていないジルコニアに関しては、以下の通りである。０℃から約９５０〜１１７０℃までは単斜相、１１７０℃から２３７０℃までは正方晶相、及び２３７０℃からは立方晶相、並びに２６８０℃よりも高い温度では液状に変化する。室温における正方晶相でジルコニアの安定化を達成し、上述の処理機構を利用するため、予めジルコニアを一組の酸化物と共にドープすることが必要である。このとき、各金属は、（相）安定化材として知られている、ジルコニウムの原子価（＋４）とは異なる原子価を有しており、最も一般的にはマグネシウムの酸化物、カルシウムの酸化物、セリウムの酸化物及びイットリウムの酸化物である。

非常に需要が高い構造用途用の商品に関しては、３モルのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニアが開発され、市場で十分に認められている。これは、このセラミック材料が熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）により成形／焼結される場合には、破壊靱性に関して約５ＭＰａ・ｍ^１／２の比較的低い値（合金と比較して）のときですら、約１２００から１３００ＭＰａの、或いは約１８００ＭＰａにも達し得る改善された曲げ強度の値を有する。イットリウムを選択する理由は、主に、イットリウム原子とジルコニウム原子とが非常に似た原子番号を有し、その結果、非常に似た原子半径を有し、容易に固溶体を形成するためである。この固溶体において、２個のカチオンたるＺｒ（＋４）とＹ（＋３）とが異なる原子価状態を有するために、イットリウム原子は結晶格子中でジルコニウム原子の一部と置き換わる。酸化イットリウム／イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）は格子内に酸素ギャップを導入し、室温で正方晶相の安定化をもたらす。高い曲げ強度の値を維持しながら、靱性の増強が得られるのはまさに、室温における変態可能なこの正方晶相である。

従って、高い靱性と曲げ強度とを備えたジルコニアベースのセラミック材料を得ることが意図されている。

EP 2 045 222は固溶状態のＹ_２Ｏ_３を安定化材として含み、光伝達性を有する、つまり、半透明の焼結されたジルコニアを開示している。この文献の記載に拠れば、この文献でクレームされたこの材料は、１７００ＭＰａの３点曲げ強度、及び３．５ＭＰａ・ｍ^１／２と４．０ＭＰａ・ｍ^１／２との間の靱性を有する。従って、本出願に開示された技術とは異なって、破壊靱性と曲げ強度との間の良い関係性は達成されていない。

US 2013190164 (A1)は、３モルのイットリアで安定化されたジルコニアと、アルミナ（０．２から７．４重量％）と、部分的に安定化されたジルコニア（１モルのイットリア）、ホウ素及びリンからなる別の混合物（最終重量の２０％に相当）と、の混合物から調製されたセラミック材料を開示している。クレームされたこの材料は、従来の焼結体では逆比例した値となる曲げ強度の値と破壊靱性の値とに関して、１２００〜１４００ＭＰａの曲げ強度と、８〜１１ＭＰａ・ｍ^１／２の間にある破壊靱性とを有する。

US 2014011661 (A1)は焼結体に関して記載し、ここでイットリアの他の安定化材は、殆どが、酸化クロムが追加的にドープされた酸化セリウム（Ceria）である。このセラミック部品は１１５０ＭＰａの曲げ強度と１５ＭＰａ・ｍ^１／２の破壊靱性とを有している。

US 2011254181 (A1)はジルコニアベースの材料を開示し、ここで酸化セリウム（８から１０モル％）が主要安定化材として使用され、多量のアルミン酸塩（１２から２０重量％）を含む第２相として使用され、この材料は２０ＭＰａ・ｍ^１／２の破壊靱性と６３０ＭＰａの曲げ強度とを有する。

別の試みられた方法は、イットリア含量を３モル未満に減少させることである。この方法は、イットリアの量を減じることにより、酸素ギャップの数が結晶格子内で減少し、従って正方晶のジルコニアの構造変態性が増加する（酸素ギャップの減少は正方晶から単斜相へ変換するに必要なギブスのエネルギーを減少させる）という事実を扱う。この事実は、セラミック部品の高い靱性の原因となる相変態機構の基礎である。この実施態様の欠点は、高温焼結工程（１２００〜１６００℃）とその後の室温での冷却工程との後に、セラミック部品における正方晶相を維持することが困難なことにある。イットリアの減量の結果、部品の冷却中に正方晶相から単斜相への部品の変態が熱的に誘発され、本方法により、１０〜２０ＭＰａ・ｍ^１／２の高い靱性が達成できる一方、曲げ強度に避けることのできない減少が起きる。

B. Basu による「イットリアで安定化された正方晶ジルコニアセラミックの靱性（Toughening of yttria-stabilised tetragonal zirconia ceramics）」は、この種のセラミックに関する広範な検討を行っている。しかし、広い範囲内で破壊靱性を変えてみても、著者はいずれの場合でも靱性と曲げ強度との間の関係を得ていない。

本明細書に記載された粉末組成物によって解決できる問題の一つは、高密度の焼結されたセラミック部品において、１１５０〜２１００ＭＰａ、好ましくは１２００〜２１００ＭＰａの高い曲げ強度と、同時に、１０ＭＰａ・ｍ^１／２よりも大きい靱性という、破壊靱性と曲げ強度との二つの値を提示する、ジルコニアベースの焼結セラミック材料を得ることである。

破壊靱性の計算は、硬度の計算に用いる押し込みによって生じる割れ目の大きさを使う圧痕法（indentation method）に基づいて行ってもよい。本明細書で得られ、提示された結果は、パルムクビストタイプの破壊を考慮している。このタイプの破壊に関しては、ニイハラの式が、９８．０７Ｎ（ＨＶ１０）の力で１０秒間押し込むときの破壊靱性を計算するために使用された。Niihara, K., Morena, R., and Hasselman, D.P.H., "A fracture mechanics analysis of identation induced" - Palmqvist crack in ceramics. J. Mater. Sci. Lett., 1983, 2(5) 221-3。

本材料の曲げ強度は、イットリアで安定化された正方晶ジルコニア（Ｙ−ＴＺＰ）に関して、２０℃で、ISO 6872:2008 (E)："Dentistry - Ceramic materials"に記載されているように、２軸性曲げ手法（英語表現“biaxial bending strength”から）によって測定された。

本発明の実施態様は、イットリアで安定化されたジルコニアから得られる焼結されたセラミック材料を開示する。焼結されたセラミック材料は、１モルの材料当たり１．８モル％と２．１モル％との間でイットリアを含む、イットリアで安定化されたジルコニアの粉末から得られる。本明細書を通じて、モル％への言及は、常に材料の総モル％に対する値をいう。ここで、焼結されたセラミック材料は、９０％よりも高い正方晶相を有し、０．２５μｍよりも小さく、０．１μｍよりも大きい粒のサイズを有し、この値は、用いる焼結技術によって変わる。これらの特徴とともに、１０〜２５ＭＰａ・ｍ^１／２、好ましくは１２〜２５ＭＰａ・ｍ^１／２の靱性と、１１５０〜２１００ＭＰａの曲げ強度とを有する材料が、驚くべきことに得られるであろう。

本発明の一実施態様は、イットリアで安定化されたジルコニアから得られる焼結されたセラミック材料を開示する。この材料は、１．８モル％と２．１モル％との間のイットリアを含み、１０〜２５ＭＰａ・ｍ^１／２の間の、好ましくは１２〜２５ＭＰａ・ｍ^１／２の間の靱性と、１１５０〜２１００ＭＰａの間の曲げ強度とを有する。

１．８から１．９９％モル（イットリア）、好ましくは１．８５〜１．９５％モル（イットリア）の間の全値、さらに好ましくは１．８６％；１．８７％；１．８８％；１．８９％；１．９％；１．９１％；１．９２％；１．９３％、１．９４％モル（イットリア）の値を含む、イットリアで安定化されたジルコニアから得られる焼結されたセラミック材料に関して、より良い結果が得られる。

焼結されたセラミック材料がさらにアルミナでドープされているとき、つまり、さらにアルミナでドープされたジルコニア粉末から得られる焼結されたセラミック材料であるとき、さらに良い結果が、得られる。ここでアルミナは、セラミック材料の重量に対して０．２％ｗ／ｗと１．５％ｗ／ｗとの間、好ましくは、セラミック材料の重量に対して０．４〜１％ｗ／ｗの間である。アルミナの添加は、粒を設定した範囲内（０．１から０．２μｍ）に保ち、同時に経時に対する焼結されたセラミックの強度を増す。つまり、経時後の単斜相の値は１８％よりも小さく、好ましくは１０％よりも小さい。

正方晶相から単斜相への相変態における加速経時効果は、いくつかの方法により評価されてもよく、本件では、「ISO 13356:2008 (E) −手術用移植材−イットリアで安定化された正方晶ジルコニア（Ｙ−ＴＺＰ）ベースのセラミック材料」に記載された方法によって決定された。

本発明の別の実施態様は、０．１０〜０．２０μｍの間、好ましくは０．１０〜０．１５μｍの間の粒のサイズを含む、イットリアで安定化されたジルコニアから得られる、焼結されたセラミック材料を開示する。

焼結された前記材料の粒のサイズは、幾つかの方法で計算されてもよい。本材料のキャラクタリゼーションに際し、焼結後の粒のサイズは、「EN 623-3 (2001) 先進技術セラミック−モノリシックセラミック−総論及び組織構造上の性質−３部：粒のサイズ及び粒度分布の決定（線形切断法（linear intercept method）により特徴決定）」による線形切断法により決定された。さらに、指示の通り、かつ、セラミック微小構造の粒のサイズ測定に一般的に使用される通りに、ImageJ ソフトウェアを用いた。

さらに良い結果が、ここに開示された焼結されたセラミック材料に関して得られる。焼結されたこのセラミック材料は、５．９７ｇ／ｃｍ^３よりも大きい材料密度を有する。焼結体の最終密度は種々の方法で計算されてもよい。例えば、「ISO 18754:2013 −ファインセラミックス（先進セラミックス、先進技術セラミックス）密度及びみかけ密度の決定」に従ったアルキメデス法によって計算されてもよい。多孔度は、密度の逆数により、パーセントで決定される。

さらに良い結果が、ここに開示された焼結されたセラミック材料に関して得られる。焼結されたこのセラミック材料は、２％よりも小さい多孔度、好ましくは１％よりも小さい多孔度を有する。

さらに良い結果が、ここに開示された焼結されたセラミック材料に関して得られる。焼結されたこのセラミック材料は、９１％を超える、好ましくは９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％を超える正方晶相の百分率を有する。

本発明の別の側面は、焼結されたセラミック材料を得るための粉末組成物を開示する。この粉末組成物は、
・イットリアで安定化されたジルコニアであって、「１．８〜２．１％モル（イットリア）／モル（最終組成物）」の範囲内のイットリアのモル％を有する。
・粉末粒子の８０％が属するサイズが０．２から０．４μｍの範囲内にあり、好ましくは０．２μｍから０．４μｍの範囲内のサイズに当該粒子の９０％が属する。
・４０ｎｍよりも小さい、好ましくは５ｎｍよりも大きい結晶粒子のサイズ。
・前記粉末粒子の表面積が１７〜３５ｍ^２／ｇ。

前記パーセントのイットリアのドーピングと、既に指定した原料粉末の他の物理的パラメータとにより、すでに述べた、破壊靱性と曲げ強度という両特性の高い２値が達成される。

原料粉末の粒子のサイズは幾つかの利用可能な方法によって決定できる。例えば、本粉末のキャラクタリゼーションに関しは、ＣＰＳ−ディスク 遠心機 ＤＣ２００００型（商標）に基づく遠心沈降法が選択された。この方法は凝集のない状態で粒子サイズの分布を与え、得られた値の有用性を高める。

結晶相／相のパーセント／結晶の大きさの同定と定量とは、利用可能ないくつかの方法で決定できる。例えば、本粉末のキャラクタリゼーションで使用された方法は、Ｘ線回折法が選択された（Bruker D8 Advance x-ray diffractometerを使用）。相定量と結晶サイズの計算では、ブルカー（Bruker）ＡＸＳのDiffracPlus TOPAS ソフトウェアを使ったリートベルト精密化（Rietveld refinement）を適用した。使用した基準は、「ASTM F1873-98 手術移植用の高純度 高密度イットリア正方晶酸化ジルコニウム多結晶（Ｙ−ＴＺＰ）の標準規格（2007年取り下げ）」である。結晶のサイズは、得られた回折図の主ピークの高さの半値における幅（FWHM）を考慮するシェラーの式によって決定される。Patterson, A. L., The Scherrer formula for x-ray particle size determination. Phys. Rev., 1939, 56(10) 978-92. Rodriguez-Carvajar, J., Recent advances in magnetic structure determination by neutron power diffraction. Physica B: Condensed Matter., 1993, 192(1-2) 55-69。

正方晶相は室温で計算されてもよく、後者は、本技術分野における通常の技能を有する者にとって一般的な、環境温度として理解される。環境温度において、人は、慣れて心地良く仕事することができ、環境温度は約１５から３０℃の間で変わり得、好ましくは２０から２５℃、より好ましくは２１から２３℃で変わり得るが、環境温度は、室温すなわち施設内部の温度として受け入れられかつ認識される温度であれば、これらの限度よりも上又は下の温度に限定されない。

この粉末粒子の比表面積の計算は、例えば、本粉末のキャラクタリゼーションで使用される方法（ここでは、ブルナウアー−エメット−テラー法（ＢＥＴ）が選ばれた）のような、幾つかの使用可能な方法によって行われてもよい。使用された装置は、Quantachrome Nova 1000e Seriesである。
〔１〕Brunauer, S., Emmett, P. H. and Teller, E., Adsorption of gases in multimolecular layers. J. Am. Chem. Soc., 1938, 60(2), 309-19.〔２〕Webb, P. A., Analytical methods in fine particle technology. First edition, ISBN: 978-0965678308 Published 1997 by Micromeritics Instrument Corporation。

さらに良い結果は、結晶サイズが５〜４０ｎｍの範囲内にあり、好ましくは１０〜３０ｎｍの範囲内にあり、より好ましくは１５〜２５ｎｍの範囲内にあり、さらに好ましくは２０〜２２ｎｍの範囲内にある粉末組成物が得られることである。

さらに良い結果は、イットリアで安定化されたジルコニアの化学純度が９９．９％よりも高い場合に、イットリアで安定化されたジルコニア粉末が得られることである。

さらに良い結果が、イットリアで安定化されたジルコニア粉末組成物に関して得られる。このジルコニア粉末組成物は、１．８と１．９９％モル（イットリア）／モル（最終組成物）、好ましくは１．８５〜１．９５％モル（イットリア）／モル（最終組成物）の間の全ての値、好ましくは、１．８６％、１．８７％、１．８８％、１．８９％、１．９０％、１．９１％、１．９２％、１．９３％、１．９４％、１．９５％モル（イットリア）／モル（最終組成物）の値を含む。

さらに良い結果が、０．２と１％モル（アルミナ）／モル（最終組成物）の間でさらにアルミナでドープされた、イットリアで安定化されたジルコニア粉末組成物に関して得られる。

本明細書に記載された粉末組成物は、燃焼合成、共沈、エマルションデトネーション合成（emulsion detonation synthesis）のようないくつかの既知の方法によって得られてもよいが、特に、PT 105340 に開示された実施例に記載された手順からの類推（例えばＴｉ／Ｚｒ）によって得られてもよい。

本発明の別の側面は、本明細書に記載された特徴を備えた、イットリアで安定化されたジルコニアから得られる焼結されたセラミック材料を含む、セラミック焼結部品を記述する。焼結部品は、多くの形態をとり得、とりわけ、押出し成形ダイ、腐食保護被膜として働く部品、切削工具、モータの構成部品、又はプロテーゼや移植材のような生物医学的な用途のための部品、又は時計のような装飾用途等の様々な用途が意図される。

本発明の別の側面は、以下の工程を含むセラミック材料を得る方法を提供する。
・本明細書に記載されたいずれかの粉末組成物を成形する工程。
・１１００℃と１４００℃との間の温度で、１時間から８時間、０．５℃／分と５００℃／分との間の加熱／冷却速度で焼結する工程。好ましくは、焼結温度は１２５０℃と１３５０℃との間の範囲であり、加熱速度は１℃／分と２℃／分との間の範囲であり、保持時間は１時間と２時間との間の時間である。

原料粉末組成物からセラミック材料を調製するために使用される方法は、工業界で一般的に使用される方法のいずれかでよく、例えば、ホットプレス（ＨＰ）、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）、一軸プレス（uniaxial pressing）（ＵＰ）、冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ）、鋳込み成形（ＳＣ）又は射出成形（ＩＭ）または放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）である。

５００℃／分の加熱速度と非常に短い保持時間（１０〜１５分間）の放電プラズマ焼結技術で焼結された材料を得る方法の好ましい実施態様では、より短い焼結サイクルを使って小型の要素を焼結し、小さい粒のサイズと優れた曲げ強度と破壊靱性とを有するセラミック材料を得ることが可能である。

〔詳細な説明〕
本願は、ある組成と他の十分に規定された物理化学的パラメータとを有し、イットリアで安定化されたジルコニアの粉末から得られ、高い破壊靱性と高い曲げ強度とを備えた焼結されたセラミック材料、焼結された当該セラミック材料の製造方法、及びそれの可能性のある用途について述べる。

ここに提供する焼結されたセラミック材料は、１０ＭＰａ・ｍ^１／２と２２ＭＰａ・ｍ^１／２との間の範囲内にある破壊靱性と、１１５０ＭＰａと２１００ＭＰａとの間にある曲げ強度とを有する。本発明は、新しい組成物を開示し、それは、イットリアで安定化されたジルコニア粉末の物理的特徴の特定の組み合わせに相互依存して、驚くべきことに前記ジルコニア粉末から得られる焼結されたセラミック材料の靱性と曲げ強度とに相当の増強をもたらす。焼結された部品の形態としてのこのセラミック材料は、工業界で現在使用されているいくつかの成形／焼結方法の一つに従い、前記ジルコニア粉末から得られるが、正方晶相を単斜相とする、焼結工程後の熱冷却は見込まれていない。この焼結されたセラミック材料は、１．８から２．１モル％の間でイットリアを含む、イットリアで安定化されたジルコニアがベースである。

さらに別の実施態様では、良い特性を示す焼結されたセラミック材料を目的として、二つの他の要件もまた満たされるであろう。
１）約９８％よりも高い緻密化度‐これは、最大２％の多孔度に相当する。正方晶のジルコニアの理論密度が６．０９ｇ／ｃｍ^３であることを考慮すると、これは、焼結されたセラミック材料の密度は５．９７ｇ／ｃｍ^３よりも大きくあるべきであることを意味する。
２）十分に規定された、最終微小構造の粒のサイズであって、分布の均一性に優れていること。なぜなら、正方晶構造の室温における安定性は、焼結後の粒のサイズが所定の臨界サイズ（０．２５μｍ）よりも小さい場合にのみ達成されるからである。そうでない場合、単斜相への転換が自発的に起こる。イットリア含量が１．８％と２．１モル％（イットリア）の間である、本発明の組成物の場合、セラミック材料は、好ましくは０．１０μｍと０．２５μｍとの間の粒のサイズを有し、さらに好ましくは０．１５μｍと０．２０μｍとの間の粒のサイズを有してもよい。

本明細書に開示された焼結されたセラミック材料は、とりわけ、切削工具、押出し成形ダイ、モータの構成部品、延伸部品（drawing components）、腐食保護被膜のような構造材用途、又はプロテーゼや移植材のような生物医学的な用途、又は時計製作のような装飾的用途等で使用される。

焼結されたセラミック材料を得る方法は、以下の工程を含む。
‐ 本発明で述べられた、イットリアで安定化されたジルコニアの粉末組成物を、成形鋳型へ充填する。
‐ 適当な条件下で、成形及び焼結工程を行う。
‐ 最終的なセラミック材料を得る。

好ましい実施態様では、この焼結されたセラミック材料を得るうえで、イットリアで安定化されたジルコニア粉末組成物の諸特性は重要な役割を果たす。なぜなら、当該ジルコニア粉末組成物の特性の幾つかの特有の組み合わせは、驚くべきことに、１１５０〜２１００ＭＰａの間の曲げ強度と、同時に１０ＭＰａ・ｍ^１／２よりも大きい靱性を有する、焼結された材料を得ることを可能にするからである：
‐ １．８と２．１との間のイットリアのモルパーセント
‐ 好ましくは、０．２から１モル％のアルミナ含量
‐ ４０ｎｍよりも小さい、好ましくは５〜４０ｎｍの間の、より好ましくは１０〜３０ｎｍの結晶サイズ
‐ １７〜３５ｍ^２／ｇの間の表面積
‐ 粒子の８０％が属するサイズが０．２μｍと０．４μｍとの間の範囲にあり、好ましくは、粒子の９０％が属するサイズが０．２μｍと０．４μｍとの間にある。

前記粉末組成物の好ましい実施態様では、当該組成物は、以下の好ましい特性を有していてもよい。
‐ （ＺｒＯ_２＋ＨｆＯ_２＋Ｙ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３）の合計で考慮した場合に、９９．９％よりも大きい、イットリアで安定化されたジルコニアにおける化学純度。
‐ ジルコニア内におけるイットリアの分布の高い均一性。

従って、本発明は、前記粉末組成物の特性と組み合わされて、驚くべきことに、０．２５μｍよりも小さい粒のサイズ、９０％よりも大きい正方晶相のパーセント、１０ＭＰａ・ｍ^１／２よりも大きい破壊靱性、及び１１５０ＭＰａと２１００ＭＰａとの間の曲げ強度を有する、ジルコニア焼結セラミック部品が得られるであろう。

以下は、本発明の最終結果に対する、これら七つの各パラメータの寄与に関する簡単な説明である。

（イットリアのモル％）
イットリアの量が（３モル％から）減少するにつれ、靱性は増強する。この増強は、しかし、線形的ではなく、本明細書で記載した１．８と２．１％の値の範囲で最大値に達する。１．８％未満では、正方晶相はもはや安定ではなく、焼結されたセラミック材料の冷却工程の間に単斜相への相当の変態があり、その結果として、その曲げ強度を相当に減少させる。

（減少した結晶サイズ）
ジルコニア粉末の結晶サイズの影響は、最終的な粒のサイズが、他の特性よりもとりわけ原料粉末の結晶サイズに依存するという事実と関係がある。４０ｎｍを上回る結晶サイズでは、従来の成形／焼結法では、０．１５と０．２５μｍとの間の粒のサイズを有する高密度の部品は達成できない。

（高い表面積）
１７〜３５ｍ^２／ｇの間の表面積は、成形／焼結法の間に焼結温度を下げて、最終的な粒のサイズ（温度とともに大きくなる）が０．２５μｍを超えることを防ぐために重要である。大きい表面積を有する粉末に発生する、粉末粒子と鋳型の間の高い摩擦が原因となる加工の困難性を考慮すれば、３５ｍ^２／ｇの値は最大値である。

（アルミナによるドーピング）
０．２％と１％との間のアルミナによるドーピングは、焼結されたセラミック材料における最終的な微小構造の粒のサイズに対するアルミナの抑制効果からくる。つまり、０．２％と１％との間のアルミナによるドーピングは、後々に、粒のサイズが所定の限度内（０．１５から０．２５μｍ）に留まることに寄与し、湿った環境で正方晶相が単斜相へ変態することによる、焼結されたセラミック材料の経時に対する強度を強める。

（０．２〜０．４ミクロンの間の粒子のサイズ）
粒子サイズの分布の要件は、多孔度が２％未満、好ましくは１％未満である高密度のセラミック部品を得るための焼結の速度論と関連する。改善された焼結の速度論は、「密度＞９８％」が達成される温度を下げる。従って、所定の範囲内にある、焼結体の最終的な粒のサイズ（０．２５μｍよりも小さく、０．１μｍよりも大きい）を得ることが容易になる。

（化学純度（Ｚｒ＋Ｈｆ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｏ）＞９９．９％）
高い化学純度は、ナトリウム、鉄及びシリカのようないくつかの特定の汚染物質がジルコニアセラミック部品の曲げ強度に負の影響を有することが知られているという事実に関する。従って、高純度は、最良の結果を達成することを可能にする。

（ジルコニア中のイットリアの均一性）
ジルコニア粉末中のイットリアの初期の均一性は欠くことができない。その結果、安定化元素としてのイットリアの同一の分布は、焼結されたセラミック部品中でも均一なまま維持される。

前記七つの性質を達成するいかなる粉末の調製方法も、とりわけ、燃焼合成、共沈及びエマルションデトネーション合成のような方法は、本発明の実施態様に使用されてもよい。

原料粉末からセラミック材料を調製するために使用される成形方法は、工業界で一般的に使用される方法のいずれでもよい。例えば、ホットプレス（ＨＰ）、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）、一軸プレス（ＵＰ）、冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ）、鋳込み成形（ＳＣ）又は射出成形（ＩＭ）である。加熱速度、温度、保持時間及び冷却速度のような、各方法における焼結条件は、好ましくは９８％よりも高い緻密度（２％未満、好ましくは１％未満の多孔度）、及び、好ましくは０．１μｍと０．２５μｍとの間の粒径を有するセラミック部品を得られるように、使用する成形方法に応じて調整されるべきである。

本願の技術をより容易に理解するため、好ましい実施態様を表すが、しかし、本願の権利範囲を限定することを意図していない、図面を添付した。
図１はＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３の相図を示す。 図２は、本セラミック材料のサンプルの電子走査顕微鏡画像を示す。 図３は、原料粉末の結晶サイズ分布と、透過型電子顕微鏡により得られた、それらの顕微鏡写真を示す。 図４は、従来の焼結により得られたセラミック材料の曲げ強度と破壊靱性とに対するイットリアのパーセントの効果を示す。 図５は、ＨＩＰにより得られたサンプルの経時試験前後の単斜相のパーセントに対するアルミナのパーセントの効果を示す。 図６は、ＨＩＰにより得られたサンプルの経時前後の曲げ強度に対するアルミナのパーセントの効果を示す。 図７は、ＨＩＰにより得られたサンプルの経時前後の破壊靱性に対するアルミナのパーセントの効果を示す。

次に本技術は、いくつかの実施態様と図とを用いて、このサブセクションで説明されなければならない。しかし、この説明は、本願の保護の範囲を限定することを意図しない。

本願は、高い破壊靱性と高い曲げ強度とを有する焼結されたセラミック材料、その製造方法、及びその可能な用途について述べる。

ここに提示された焼結されたセラミック材料は、１０ＭＰａ・ｍ^１／２と２５ＭＰａ・ｍ^１／２との間の範囲の破壊靱性と、１１５０ＭＰａと２１００ＭＰａとの間の曲げ強度（使用される成形／焼結方法により変わる）とを有する。この焼結されたセラミック材料は、１．８モル％と２．１モル％との間でイットリウムを含む、イットリアで安定化されたジルコニア粉末から得られる。

かかるイットリアのドーピングのパーセント、及び、原料粉末に関する他の多くの性質、すなわち、
‐ １．８と２．１との間のイットリアのモルパーセント、
‐ 好ましくは０．２から１％のアルミナ含量、
‐ ４０ｎｍ未満、好ましくは５〜４０ｎｍの結晶のサイズ、
‐ 好ましくは１７〜３５ｍ^２／ｇの間の表面積、
‐ 好ましくは０．２と０．４μｍとの間の初期粉末粒子（initial powder particle）のサイズ、
‐ 好ましくは、イットリア安定化ジルコニアの化学純度が９９．９％よりも大きい、つまり（Ｚｒ＋Ｈｆ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｏ）＞９９．９％である、
‐ 好ましくは、ジルコニアにおけるイットリアの分布が高い均一性を有する、
が関連することにより、前記焼結されたセラミック材料における、高い２項目の性質、すなわち破壊靱性と曲げ強度とが達成される。

正方晶構造の室温における安定性は、焼結後に、粒のサイズが所定の臨界サイズよりも小さいときにのみ達成され、そうでない場合、単斜晶相への転換が自発的に起こるので、焼結されたセラミック材料は、最終微小構造における粒のサイズとして、分布における良好な均一性を伴う、十分に規定されたサイズを有さなければならない。イットリアの含量が１．８モル％と２．１モル％イットリアの間である本組成物の場合、当該セラミック材料は、０．１μｍと０．２５μｍの間の粒のサイズを、好ましくは０．１５と０．２０μｍの間の粒のサイズを有してもよい。

本願で開示された焼結されたセラミック材料は、とりわけ、プロテーゼ、切削工具、押出し成形ダイ、モータの構成部品のような、構造材用途に使用されてもよい。

好ましい実施態様では、本セラミック材料を得る方法は、以下の工程を含む。
‐ 本明細書で述べた、イットリアで安定化されたジルコニアの粉末組成物を成形ダイ中に供給する工程、
‐ 成形及び焼結工程、
‐ 焼結されたセラミック材料を得る工程。

焼結されたセラミック材料を得るために、イットリアで安定化されたジルコニア粉末の特性は重要な役割を果たす。なぜなら、それらのいくつかの組み合わせ、特に、
‐ １．８と２．１との間のイットリアのモルパーセント、
‐ ０．２と１％の間のアルミナ含量、
‐ ４０ｎｍよりも小さい、好ましくは５ｎｍよりも大きい結晶サイズ、
‐ １７〜３５ｍ^２／ｇの間の比表面積、
‐ ０．２と０．４μｍの間の粒子のサイズ、
‐ 好ましくは、イットリア安定化ジルコニアの化学純度が９９．９％よりも大きい。つまり、（Ｚｒ＋Ｈｆ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｏ）＞９９．９％である、
‐ 好ましくは、ジルコニアにおけるイットリアの分布が高い均一性を有する。

本発明は、イットリアで安定化されたジルコニア粉末のこれら七つの特性の組み合わせが、高密度であって、０．２５μｍよりも小さく、好ましくは０．１０μｍよりも大きい均一な粒のサイズを有し、室温で９０％よりも多い正方晶相を有し、１０ＭＰａ・ｍ^１／２よりも大きい靱性を有し、１１５０ＭＰａと２１００ＭＰａとの間の曲げ強度（曲げ強度は使用される成形／焼結方法により変わる）を有する、ジルコニアの焼結されたセラミック部品を得ることを可能にすることを開示する。

表１は、機械的性質、特に、曲げ強度と破壊靱性とに関し、焼結されたセラミック材料に関して幾回かのキャラクタリゼーション試験が行われたいくつかの実施態様を示す。

試験１〜７（イットリア含量の効果）
ＥＤＳ（エマルション合成デトネーション）により得られた、イットリアで安定化されたジルコニアの粉末のこの一連の試験サンプルに関しては、化学純度が９９．９％（ジルコニア＋ハフニウム＋イットリア＋アルミナに関して表されたとき）よりも大きく、粒子サイズのｄ５０が２５０ｎｍであり、０．４０％アルミナでドープされた粉末が使用された。ここで、１．７％、１．８％、１．９％、２％、２．１％、２．２５％、２．５％及び３モル％の異なるイットリアのモルパーセントが試験された。原料粉末に関する残りの制御パラメータは、表面積、結晶サイズ、を含む。異なるイットリア含量を有する粉末サンプルは、ディメンショナルダイ（dimensional die）（キャビティ直径が２０ｎｍ）の内部で、７０ＭＰａで、３０秒間、一軸プレスにより成形された。続いて、全てのサンプルが１３５０℃まで２．０℃／分の加熱速度で焼結サイクルを受け、１３５０℃で２時間留め、ついで室温にまで５℃／分の速度で冷却された。表１に示す結果が得られた。

表１から分かるように、行った全ての試験において、焼結されたセラミック材料は９８％よりも高い緻密化のレベルと、０．２μｍと０．２５μｍとの間の均一な粒のサイズとを有した。

前記の数字の分析から、イットリアのパーセントの減少は、破壊靱性の値の増加につながり、これは予測されたことである。しかし、正方晶相のパーセントは驚くべきことに、９５％よりも高く維持され、曲げ強度もまた、１２００ＭＰａを超えて維持され、実質的に変化しなかった。１．８％よりも僅かながら低い場合だけ（１．７モル％）、正方晶相は減少し始め、曲げは大きく減少した。イットリアが１．８モル％と２．１モル％の間の範囲内では、それぞれ、１２００ＭＰａよりも大きい曲げ強度の値と、１０ＭＰａ・ｍ^１／２よりも大きい破壊靱性の値との２項目が、７０ＭＰａでの一軸プレス成形により得られる。

試験８〜９（熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）による成形方法）
試験８と試験９では、試験６で使用されたサンプルと同一のサンプル、つまり、イットリアの含量が１．８モル％のジルコニアのサンプルが使用された。第１工程（図４）では、これらのサンプルは７０ＭＰａでの単軸プレス成形を受け、次いで、１３００℃で２時間焼結された。加熱速度は２℃／分であり、冷却速度は５℃／分であり、焼結された材料の開口した孔を完全に除去することを目的とした。その後、１２５０℃の温度で１時間の熱間等方圧加圧法が行われた。サンプルの特性は表２に示されている。

熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）による、最終的な粒のサイズは０．１５から０．２０の間であり、得られた曲げ強度の値は相当に高いことに着目すべきであり、つまり、ＨＩＰによって曲げ強度と破壊靱性との２項目を、それぞれ、１８００〜２１００ＭＰａ及び１５〜２０ＭＰａ・ｍ^１／２の範囲内にすることを可能にする。

試験１０〜１１（表面積の効果）
試験１０と試験１１では、モルイットリア含量（１．８モル％）で、より低い（２５ｍ^２／ｇではなく１６ｍ^２／ｇ）ＢＥＴ（ブルナウアー、エメット、テラーの表面積測定）を有する、同様のサンプルで行われた。ジルコニア焼結サンプルは、試験１〜７と同じ方法で調製された。つまり、７０ＭＰａで３０秒間、一軸プレス成形された。その後、サンプル１０は１３５０℃まで２．０℃／分の加熱速度での焼結サイクルを受け、１３５０℃で２時間留め、５℃／分の速度で室温に冷却された。サンプル１１は、次に、１４５０℃で焼結され、サンプル１０と同一の加熱／冷却速度を用いた。結果は表３に示されている。

ＢＥＴが減少したとき、１３５０℃の温度は９８％よりも大きい緻密化度を得るには十分ではなく、そのため、サンプル１０は、低い曲げ強度（９５０ＭＰａ）を有する。必要な緻密化度を達成するため、焼結温度は１４５０℃（サンプル１１）に上げなければならず、しかし、この温度上昇は微小構造の粒を過度に成長させ（０．３５μｍ）、正方晶相と曲げ強度とを減少させる。

試験１２〜１４（経時とアルミナ含量）
経時に対する強度を評価するため、試験８のサンプルに関して、「ISO 13356 手術用の移植材（１３４℃／５時間、０．２ＭＰａでのオートクレーブ）」に従い、経時試験を行った。以下の結果が得られた。

基準として規定された閾値（最大２５％）よりも下に、単斜相（１８％）の出現が観察された。また、曲げ強度に約１５０ＭＰａの減少、破壊靱性に３ＭＰａ・ｍ^１／２の減少が観察されたが、両者の減少は基準に規定された限度内であった（＜２０％）。

ついで、サンプルを、試験８と同じ方法で調製したが、アルミナのドーピング含量は０．４から１％まで増やした。それにより、経時試験前後で、以下の結果が得られた。

アルミナ含量を増やしたとき、靱性のわずかな減少があったが、経時に対する強度は顕著に大きくなり、わずか７％の単斜相を形成したに過ぎないことが見出された。

本発明の実施態様は、もちろんここに述べられた実施態様に限定されることは決してない。本技術分野における通常の技能を有する者は、請求項に定義された発明の一般的思想から離れることなく、それらを様々に変更する可能性を与えることができよう。

前記の実施態様は互いに組み合わせることができるのは明らかである。以下の請求項は、さらに好ましい実施態様を規定している。

Claims (20)

1. イットリアを１．８から２．１モル％で含む、イットリアで安定化されたジルコニアから得られ、
   ９０％を超える正方晶相と、０．１μｍと０．２５μｍとの間の粒のサイズと、を有する、焼結されたセラミック材料。
2. 靱性が１０から２５ＭＰａ・ｍ^１／２の範囲にあり、かつ、曲げ強度が１１５０から２１００ＭＰａの範囲にある、請求項１に記載の焼結されたセラミック材料。
3. イットリアを１．８から１．９９モル％で含む、請求項１または２に記載の焼結されたセラミック材料。
4. イットリアを１．８５から１．９５モル％で含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料。
5. 前記焼結されたセラミック材料の重量に対し０．２から１．５重量％でアルミナがドープされている、請求項１から４のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料。
6. 経時後の単斜晶相が１８％よりも低い、請求項１から５のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料。
7. ０．１０μｍと０．２０μｍとの間の粒のサイズを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料。
8. 前記焼結されたセラミック材料の密度は５．９７ｇ／ｃｍ^３よりも大きい、請求項１から７のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料。
9. ２％よりも低い多孔度を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料。
10. 正方晶相は９１％を超える、請求項１から９のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料。
11. 焼結されたセラミック材料を得るための粉末組成物であって、
    ‐ イットリアのモル％が１．８〜２．１％モル（イットリア）／モル（組成物全体）の範囲にある、イットリアで安定化されたジルコニア、
    ‐ ４０ｎｍよりも小さい、前記粉末粒子の結晶サイズ、
    ‐ １７〜３５ｍ^２／ｇの間の、前記粉末粒子の表面積、
    を備える、粉末組成物。
12. 前記粒子の８０％が属するサイズが、０．２μｍと０．４μｍとの間の範囲にある、請求項１１に記載の組成物。
13. 前記粒子の９０％が属するサイズが、０．２μｍと０．４μｍとの間の範囲にある、請求項１０に記載の組成物。
14. 結晶のサイズが５〜４０ｎｍの間、好ましくは１０〜３０ｎｍの間の範囲にある、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の組成物。
15. イットリアで安定化されたジルコニアの化学純度が９９．９％よりも大きい、請求項１０から１４のいずれか１項に記載の組成物。
16. １．８から１．９９モル％のイットリアを含む、請求項１０から１５のいずれか１項に記載の組成物。
17. ０．２と１％重量（アルミナ）／重量（組成物全体）との間のアルミナでドープされている、請求項１０から１５のいずれか１項に記載の組成物。
18. 請求項１から９のいずれか１項に記載の焼結されたセラミック材料を含む、焼結されたセラミック部品。
19. 前記部品は、押出し成形ダイ、プロテーゼ、切削工具、モータの構成部品、延伸部品、腐食保護被膜として働く部品、又は、複数のプロテーゼ、移植材又は、特に時計のような装飾的用途である、請求項１８に記載の焼結されたセラミック部品。
20. 請求項１８または１９に記載のセラミック部品の製造方法であって、
    ‐ 請求項１から９のいずれか１項に記載の前記セラミック材料を成形ダイの中に供給する工程と、
    ‐ 成形及び焼結工程と、
    ‐ 前記焼結されたセラミック材料を得る工程と、
    を含む製造方法。

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