JPH0624836A - アルミナ系複合焼結体およびその製造方法 - Google Patents

アルミナ系複合焼結体およびその製造方法

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JPH0624836A
JPH0624836A JP4206049A JP20604992A JPH0624836A JP H0624836 A JPH0624836 A JP H0624836A JP 4206049 A JP4206049 A JP 4206049A JP 20604992 A JP20604992 A JP 20604992A JP H0624836 A JPH0624836 A JP H0624836A
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利之 森
Hiroshi Yamamura
博 山村
Yuji Sato
裕二 佐藤
Yuji Katsumura
祐次 勝村
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Tosoh Corp
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 アルミナ相:55〜65wt%、ジルコン相:5〜
30wt%および残りマグネシア安定化ジルコニア相;該マ
グネシア安定化ジルコニア相中の単斜晶ジルコニア:80
vol%以下;相対密度:94%以上の組成および相対密度を
有するアルミナ系複合焼結体。原料混合粉末が上記重量
割合で、さらにマグネシア安定化ジルコニア原料粉末の
マグネシア含有量:8〜10モル%、焼結温度:1350〜15
00℃、焼結温度から400 ℃までの冷却速度: 250℃/h以
上、の条件で焼結するアルミナ系複合焼結体の製造方
法。 【効果】 室温領域だけでなく高温領域でも機械的強度
にすぐれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、室温だけでなく高温に
おいても高い機械的強度を有するアルミナ系複合焼結体
およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】アルミナにジルコニアを添加してアルミ
ナ系焼結体の強度を向上させる研究がされており、添加
するジルコニアとしては安定化剤を使用しないものおよ
び安定化剤としてイットリアを使用するものが報告され
ている(R. Stevens, Trans.J. Br. Ceram. Soc., 81-8
5 (1981))。
【0003】いっぽう、室温だけでなく高温においても
機械的強度の高い焼結体とするには、マグネシア安定化
ジルコニアが高温においても高い靭性値を有することか
らアルミナ−マグネシア安定化ジルコニア複合焼結体が
考えられるが、アルミナとマグネシア安定化ジルコニア
との混合粉末を焼結する際、アルミナと、ジルコニアの
安定化剤であるマグネシアとの間でマグネシウムスピネ
ル(以下、スピネルという)生成反応がおこり、それに
よってジルコニアが脱安定化し、スピネルの生成にとも
ない異常粒成長が生じ、その粒成長とともに空孔も成長
し、その空孔が除かれず、十分密度の高い機械的強度の
高い焼結体をうることはできなかった。(P. Reynen an
d A. C. Firatli, Sintering - Theory and Practice,
209-218(1982))。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルミナを
主成分とする複合焼結体において、マグネシア安定化ジ
ルコニアを含んでいるにもかかわらずスピネルを含むこ
とがなく、それによって室温だけでなく高温においても
機械的強度の高い焼結体およびその製造方法を提供する
ものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、スピネル
の生成条件を検討した結果、アルミナ−マグネシア安定
化ジルコニアにジルコンを加えることによって焼結温度
をスピネルが生成しにくい温度にまで低下させることが
でき、さらに焼結後の冷却過程を制御することにより、
スピネルの生成が抑制され、それによって緻密でありか
つ高温においても機械的強度低下の少ないアルミナ系複
合焼結体の製造が可能となることを見出し本発明を完成
した。
【0006】すなわち、本発明は、 a アルミナ相 55〜65wt% ジルコン相 5〜30wt% マグネシア安定化ジルコニア相 残り b 該マグネシア安定化ジルコニア相中の単斜晶ジルコニア相 80vol%以下 c かさ密度 94%以上 の組成、結晶相および相対密度を有する、アルミナ系複
合焼結体(1)を提供するものである。
【0007】また本発明の製造方法(2)は、 アルミナ 55〜65wt% ジルコン 5〜30wt% マグネシア8〜10モル%のマグネシア安定化ジルコニア 残り からなる混合粉末を成形し、1350〜1500℃で焼結し、焼
結温度から 400℃までの温度領域を 250℃/h以上の冷却
速度で冷却するものである。
【0008】本明細書において「相対密度」とは、焼結
体がアルミナ相、ジルコン相およびマグネシア安定化ジ
ルコニア相のみからなる場合は、アルミナの密度を4.00
g/cm3 、ジルコンのそれを4.70g/cm3 およびマグネシア
安定化ジルコニアのそれを5.85g/cm3 として算出される
値に対する焼結体のかさ密度の百分率をいい、ほぼ対理
論密度といえるものである。すなわち、下式で表される
ものである。
【0009】相対密度(%)=焼結体のかさ密度×(a
/4.00+b/4.70+c/5.85) ただし、a,bおよびcは、それぞれ焼結体中のアルミ
ナ、ジルコンおよびマグネシア安定化ジルコニアの重量
百分率である。
【0010】また、焼結体がスピネルまたはムライトを
も含む場合は、上記の式において、a,bおよびcをそ
れぞれ原料混合粉末中のアルミナ、ジルコンおよびマグ
ネシア安定化ジルコニアの重量分率に置き換えて算出さ
れるものをいう。
【0011】以下、本発明を詳細に説明する。アルミナ
を主成分とするアルミナ−マグネシア安定化ジルコニア
(以下、MSZという)−ジルコン複合焼結体における
MSZ相中の単斜晶相は、80vol%以下でなければならな
い。この単斜晶相が80vol%をこえると、すなわち立方晶
相と正方晶相との合計が20vol%を下回ると、室温におい
ても機械的強度の十分高い焼結体にならず、高温(本明
細書において「高温」とは、1000℃をこえる温度をい
う)においてはそれが大きく低下したものとなるからで
ある。また、微細な亀裂をもつものとなるおそれがあ
る。
【0012】原料粉末におけるMSZ中のマグネシアが
固溶限界以内で多ければ多いほど、えられる焼結体にお
けるMSZ相中の単斜晶相は少なくなり、該マグネシア
が少なければ少ないほど該単斜晶相は多くなる。しか
し、後述の実施例および比較例の結果から明らかなよう
に、焼結体におけるMSZ相中の単斜晶相の割合は原料
MSZ中のマグネシア含有量以外の条件にも大きく左右
され、原料粉末のMSZ中のマグネシア含有量以外の条
件が前記(2)の本発明方法におけるそれの範囲内にあ
る場合、原料粉末のMSZ中のマグネシア含有量が8モ
ル%未満であってもかならずしも製品焼結体におけるM
SZ相中の単斜晶相が上記の80vol%をこえるとはかぎら
ない。しかし、原料粉末のMSZ中のマグネシア含有量
以外の条件を前記(2)の本発明方法におけるそれの範
囲内にして、MSZ相中の単斜晶相が確実に80vol%以下
である製品焼結体をうるには、原料MSZ中のマグネシ
ア含有量は8モル%以上でなれればならない。もっと
も、MSZにおけるマグネシアの固溶限界はほぼ10モル
%であり、これをこえてマグネシアを含ませても焼結の
際にスピネルを生成させることにしかならない。
【0013】アルミナを主成分とするアルミナ、MSZ
およびジルコンからなる混合粉末を焼結するにあたり、
アルミナの割合は小さいほど、MSZの割合は大きいほ
ど、そして、ジルコンの割合は小さいほどスピネルが生
成しやすい。アルミナの割合が小さいほどあるいはMS
Zの割合が大きいほどスピネルが生成しやすい理由は明
らかでないが、ジルコンの割合が小さいほどスピネルが
生成しやすいのは、前記のとおりスピネルの焼結温度を
低下させる作用をもつジルコンが少なくなり、それによ
って焼結温度をスピネルが生成する温度にまで上げるこ
とになることによる。
【0014】このように、スピネルが生成すると、前記
のとおり、MSZ相における単斜晶の割合が大きくなっ
てすなわちMSZが脱安定化し、かつ、上記のとおり空
孔が残存することになるので緻密化が不十分であって、
高温における機械的強度が低いだけでなく室温における
機械的強度も低い焼結体にしかならない。
【0015】一方、アルミナが多すぎて相対的に上記の
ジルコンや高温で高靭性であるMSZが少なくなると、
ジルコンおよびMSZの個々の含有量が適正であって
も、高温における機械的強度の低い焼結体となる。ま
た、アルミナが多すぎると、十分密度の高い焼結体をう
るのに、下記のムライト生成反応やスピネル生成反応が
おこるような高い温度で焼結させなければならないこと
になる。他方、ジルコンが多すぎると、これが高温下で
粒界に塑性変形を生じさせるのか、高温における機械的
強度の低い焼結体となる。
【0016】以上のことから、室温でも高温でも機械的
強度の高いアルミナ−MSZ−ジルコン複合焼結体とす
るには、製品焼結体および原料混合粉末は、アルミナ55
〜65wt%、ジルコン5〜30wt%および残りMSZからな
り;製品焼結体におけるMSZ相の単斜晶ジルコニアは
80vol%以下でなければならず;かつ、前記(2)の本発
明方法における原料粉末のMSZ中のマグネシア含有量
以外の条件がそれらの範囲内のいずれの条件であって
も、前記(1)の本発明焼結体がえられるようにするに
は、原料混合粉末のMSZ中のマグネシアは8〜10モル
%でなければならない。
【0017】また、上記の組成において、焼結体は、相
対密度が94%以上でなければ、充分な機械的強度を示さ
ない。
【0018】上記の組成の原料混合粉末を焼結するにあ
たり、焼結温度は、1350〜1500℃でなければならない。
1500℃をこえると、アルミナとジルコンとのムライト生
成反応がはじまり、かつ、スピネル生成反応もおこり;
いっぽう、1350℃に達しないと、えられる焼結体の相対
密度が94%に達しないおそれがあるからである。
【0019】焼結温度にいたるまでの昇温速度は、任意
に選択しうるが、1350℃までは 300℃/h以下にするのが
望ましい。これはより緻密な焼結体がえられるだけでな
く、異常粒成長が抑制されてそりが起こるのが避けられ
るからである。また、焼結時間は、1時間程度でも十分
緻密化し、焼結時間を長くしても粒成長が進み焼結体の
強度低下を引き起こす原因となるため、1〜10時間程度
が好ましい。
【0020】さらに、焼結温度から 400℃までの温度領
域を 250℃/h以上の冷却速度で冷却しなければならな
い。 250℃/hよりも遅い冷却速度で冷却すると、マグネ
シア安定化ジルコニアの正方晶または立方晶が単斜晶に
相転移して焼結体中の単斜晶が80vol%より多くなるおそ
れがあるからである。
【0021】そして、このようにして冷却したものは、
その後昇温しても、たとえば実施例に示すように1200℃
でも、高い機械的強度を示し上記の相転移が起らないこ
とが明らかであるが、その理由は明らかでない。また、
冷却速度は、焼結炉の性能の制約からあまり速くするこ
とはできないので、より好ましい冷却速度は 300〜500
℃/hである。なお 400℃以下の領域の冷却速度は、結晶
相の相転移に実質上影響しない。
【0022】また、原料の混合方法には特に制約はな
く、ボールミルなどの粉砕機を用いてエタノールや水な
どの溶媒中で混合すればよい。混合時間にも特に制約は
ないが、あまり長時間の混合操作を行うと粉砕機からの
不純物の混入が著しくなるために10〜72時間の間で行う
ことが好ましい。
【0023】えられる焼結体の機械的強度をさらに向上
させるためには、熱間等方プレス焼結処理や熱間プレス
焼結処理を行えばよい。
【0024】
【作用】ジルコンを存在させることによってスピネル生
成反応が抑制されるのは、ジルコンの存在によって焼結
を起す温度がスピネルを生成させる温度より大幅に低下
し、それによってスピネルを生成させることなく焼結が
可能になることによるものと推定される。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の焼結体
は、室温領域だけでなく高温領域でも機械的強度にすぐ
れており、したがって、切削工具などとしてきわめて有
用である。本発明の方法によればそれを容易に製造する
ことができる。
【0026】
【実施例】実施例1〜5および比較例1〜6 アルミナ粉末(昭和電工株式会社製),ジルコン粉末
(東ソー株式会社製)およびマグネシアを9モル%固溶
させたジルコニア(MSZ)粉末(東ソー株式会社製)
を秤量し、ボールミルを用いてエタノール中で12時間粉
砕しつつ混合を行い、えられた混合スラリーを減圧下80
℃において乾燥処理を行った。そしてえられた混合粉末
は、500kg/cm2 の圧力による金型成形により予備成形を
施した後、2t/cm2 の圧力によるラバープレス成形によ
り30mm×50mm×約5mmの板状に成形した。次にえられた
成形体は、焼結温度まで 200℃/hの速度で昇温し、2時
間焼結した後、 400℃まで一定冷却速度で冷却し、その
後室温まで4時間かけて冷却して取り出した。なお、上
記以外の条件を表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】得られた焼結体のかさ密度をアルキメデス
法によって測定した。また、室温および1200℃における
三点曲げ強度をJIS R 1601に規定された方法によ
って測定した。表2における室温の強度は10本の試験片
についての平均値であり、1200℃のそれは5本の試験片
についての平均値である。
【0029】さらに、焼結体中の各結晶相の定量分析お
よび検出をX線回折試験によって行なった。MSZ相中
の単斜晶は、2θ=28°〜32°における単斜晶ジルコニ
アの(111)および(11−1)ならびに正方晶+立
方晶ジルコニアの(101)の3つのX線回折強度を次
式に当てはめて算出した。
【0030】単斜晶ジルコニアの割合(IM )={IM
(111)+IM (11−1)}/{IM (111)+
M (11−1)+IT+C (101) (IはX線回折強度、Tは正方晶ジルコニア、Mは単斜
晶ジルコニア、Cは立方晶ジルコニアおよび()内の数
字は面指数を表す)
【0031】以上の結果(ただし、結晶相はジルコニア
相中の単斜晶、スピネル相およびムライト相のみ)を表
2に示す。
【0032】
【表2】
【0033】そのほか、実施例1〜5によりえられた焼
結体についてはAl2 3 を四ホウ酸リチウム融解によ
る重量法により、SiO2 を重量法により、MgOをI
CP発光法により、そして、ZrO2 をアルカリ融解に
よる重量法により定量し、上記X線回折試験の結果と併
せて、これら実施例ではいずれの例でえられたものも測
定誤差範囲で原料組成と同じであることを確認した。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 裕二 神奈川県川崎市幸区塚越1丁目7番地 東 芝タンガロイ株式会社内 (72)発明者 勝村 祐次 神奈川県川崎市幸区塚越1丁目7番地 東 芝タンガロイ株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 a アルミナ相 55〜65wt% ジルコン相 5〜30wt% マグネシア安定化ジルコニア相 残り b 該マグネシア安定化ジルコニア相中の単斜晶ジルコニア相 80vol%以下 c 相対密度 94%以上 の組成、結晶相および相対密度を有することを特徴とす
    る、アルミナ系複合焼結体。
  2. 【請求項2】 アルミナ 55〜65wt% ジルコン 5〜30wt% マグネシア8〜10モル%のマグネシア安定化ジルコニア 残り からなる混合粉末を成形し、1350〜1500℃で焼結し、焼
    結温度から 400℃までの温度領域を 250℃/h以上の冷却
    速度で冷却することを特徴とする、アルミナ系複合焼結
    体の製造方法。
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