JPH10218662A

JPH10218662A - ジルコニア焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH10218662A
Application number: JP9020249A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Ogata; 知彦尾形; Fumio Yoshida; 文男吉田; Katsuya Edogawa; 勝也江戸川
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1998-08-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度ジルコニア焼結体のリサイクル【解決手段】ジルコニアを有する焼結体を原料とし
て、加熱処理によりジルコニア粉末を調製し、再び焼結
を行うことを特徴とするジルコニア焼結体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規なジルコニア
焼結体の製造方法に関する。

【０００２】本発明の方法によって製造された部分安定
化ジルコニア焼結体は、高強度、高靱性、耐摩耗性用途
部材に好適に用いられ、再利用が可能な部分安定化ジル
コニアの製造方法である。

【０００３】

【従来の技術】近年、金属、プラスチックス、セラミッ
クス材料が用いられる用途分野において、資源の有効活
用が進んでおり、それに伴って材料のリサイクル技術の
開発が望まれている。

【０００４】しかし、セラミックス材料のリサイクル技
術はまだ不十分なものである。

【０００５】一般に材料のリサイクルにおいて、原料と
なるのは消費された後廃棄物となる部品を構成する材料
である。これをコストを費やして、一旦部品を作る前の
状態に戻し、再びほぼ同じプロセスを経て元の部品にす
るか、または新しい部品を作るわけである。したがっ
て、材料のリサイクルのポイントは、部品を作る前の状
態に戻すのにかかる費用が、最初の時に比べてどの程度
高くなるかという経済的問題と、リサイクルされたもの
が最初に作られたものと比較して、十分機能的に満足さ
れるものであるかという技術的問題とがある。

【０００６】アルミ缶の回収に代表される金属、プラス
チックス資源の再利用、さらに最近ではごく当たり前に
なりつつある再生紙などが知られている。これらの例は
上記の経済的問題、技術的問題を解決できた、あるいは
解決できる見通しがあるものと言える。

【０００７】しかしながら、ニューセラミックスの分野
においてはこれまで再生や再利用という概念がほとんど
なかった。その理由は、製造工程中で焼成というプロセ
スにより、極めて安定で強固な材料となるため、原材料
への還元が難しく、リサイクルには不向きとされてい
た。

【０００８】すなわち、セラミックスは粉末の状態に戻
すことがリサイクルの第一歩と考えることができる。

【０００９】たとえば、アルミナ焼結体の場合は融点が
高く、溶融して元の状態である粉末に戻すことは極めて
難しい。また、酸、アルカリに対しても化学的に安定で
あり、溶解させることも困難である。一方、一部のガラ
ス組成からなるものは、融点が１０００℃前後と比較的
低温であることから再利用が可能となっている。

【００１０】部分安定化ジルコニア焼結体に関しては、
極低温から１００℃の範囲で化学的安定性が損なわれる
ことはないが、１００℃から４００℃付近の中温域では
比較的強度が劣化する現象が指摘されている。これは、
大気中に存在する水蒸気が活性化し、部分安定化ジルコ
ニア表面の結合を切断するために起こる現象と理解され
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決し、リサイクル可能な部分安定化ジルコニア焼結
体の製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、基本的
には、下記の構成により達成できる。即ち、「ジルコニ
アを有する焼結体を原料として、加熱処理によりジルコ
ニア粉末を調製し、再び焼結を行うことを特徴とするジ
ルコニア焼結体の製造方法。」である。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明を、製造方法の順にしたが
って、以下詳述する。

【００１４】まず、原料となる焼結体は特に限定される
ものではないが、種々の方法で合成された平均一次粒子
径が１μｍ以下のジルコニア粉末を用いて製造されたも
のが挙げられる。また、ジルコニア粉末以外に、部分安
定化などのために、安定化剤や焼結助剤が適量添加され
たものが好ましく、安定化剤としてイットリアのほかカ
ルシア、マグネシア、セリアなどが１．５〜５モル％添
加されていたり、焼結助剤としてアルミナ０．０５〜
５．０重量％、またはシリカは０．０１〜０．１重量％
程度添加されているものが挙げられる。

【００１５】上記原料粉末を用いて、通常の粉砕、造
粒、成形、焼結および加工を経て製造されたジルコニア
焼結体が再利用原料となる。

【００１６】上記焼結体は、部分安定化ジルコニア焼結
体または、正方晶ジルコニア多結晶体（Ｔｅｔｒａｇｏ
ｎａｌＺｉｃｏｎｉａＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｓ）
と呼ばれるものである。また、ジルコニアの結晶以外
に、アルミナの結晶を５〜９０重量％以下含有する焼結
体や、窒化珪素あるいは炭化珪素などの結晶を含有する
焼結体なども本発明の製造方法における、再利用の原料
として用いることができる。

【００１７】オートクレーブ中に上記組成の部分安定化
ジルコニア焼結体、または部分安定化ジルコニアを含む
複合セラミックス焼結体に水（好ましく純水）を加え
て、攪拌しながら１５０〜３００℃にて５〜２００時間
加熱処理することによって、ジルコニアゾルが得られ
る。温度は１５０℃未満では温度が低すぎて、解膠が不
十分であり、３００℃を越えてもやはり解膠が不十分で
ある。解膠を効率よく起こすためには、温度は１５０〜
３００℃が必要である。さらに、２００〜２８０℃であ
ることがより好ましい。時間は、２時間未満では解膠が
不十分で、一部焼結体が残存する、２００時間を越える
と生産性が低下し、不経済である。処理時間は温度によ
っても異なるが、２００〜２８０℃では１０〜１５０時
間であることがより好ましい。撹拌方法としては通常の
プロペラ型攪拌機などが例示できるが特に限定されるも
のではない。撹拌の程度は２００〜１０００ｒｐｍでよ
い。

【００１８】また、通常のジルコニア焼結体はジルコニ
ア以外に、緻密化および高強度化などのために、安定化
剤や焼結助剤が適量添加または固溶されているのが普通
である。部分安定化に用いられる安定化剤は、イットリ
アのほかカルシア、マグネシア、セリアなどがあるが、
最も高強度を発現するイットリアが最も好適に用いられ
ている。このイットリアを１．５〜５モル％、好ましく
は２〜４モル％含むように原液段階で調合したイットリ
ア部分安定化ジルコニア粉末、もしくは純粋なジルコニ
ア粉末と１．５〜５モル％、好ましくは２〜４モル％の
添加量となるように調合したイットリア粉末の混合粉末
が用いられる。焼結助剤としては、アルミナ、シリカな
どの一般的なものを用いる。アルミナは０．０５〜５．
０重量％、シリカは０．０１〜０．１重量％程度添加す
ることが好ましい。これによって、１３５０〜１５００
℃で緻密な焼結体が得られる。これらの添加物は原料の
焼結体にもともと含有されているものをそのまま利用し
てもよいが、必要によりさらに添加したりして調製して
もよい。

【００１９】上記混合粉末に有機バインダーを加えて、
粉砕造粒されるが、酸化物系セラミックスではポリビニ
ルアルコール等の水溶性バインダーが好適に用いられ
る。また、スラリー中のセラミックス粒子をよく分散さ
せるために、公知の分散剤、消泡剤等が用いられる。

【００２０】該ゾルは、平均一次粒子径が０．３μｍ以
下となるように調製されることが好ましく、必要に応じ
て、前記処理の後、粉砕などの処理が適宜行なわれる。
平均一次粒子径が０．３μｍを超えると、焼成する際に
きわめて高温を必要とするので好ましくない。

【００２１】ジルコニアビーズを用いたアトリションミ
ル、ビーズミル、ボールミル等によって、平均二次粒子
径が０．５〜１．５μｍの一定な粒度分布になるまで粉
砕を行うのが好ましい。この後、スプレードライヤー等
の造粒装置を用いて、造粒径が４０〜２００μｍの範囲
で均一となるように造粒されるのが好ましい。

【００２２】また、加熱処理後の粒子は単斜晶が５０％
以上含まれる。

【００２３】さらに、ゾル状になったジルコニア粉末を
オートクレーブから取り出し、ボールミル等を用いて粉
砕を行った後、容器に移し替え、５０〜１５０℃にて乾
燥する。乾燥は大気中でも真空中でもよい。

【００２４】乾燥した粉末を１６０〜４００メッシュの
ステンレス篩などを用いて凝集径を整え、ラバープレ
ス、金型プレス成型機にて０．５〜２トン／平方センチ
メートルの圧力で所定のサイズに成形する。

【００２５】上記のグリーン成形体を大気中、１３５０
〜１５００℃にて１〜５時間焼成を行う。こうして、密
度５．９ｇ／ｃｍ³以上、ビッカース硬度１１５０ｋｇ
ｆ／ｍｍ²以上、単斜晶０〜１０％、正方晶９０〜１０
０％で立方晶を実質的に含まず、平均結晶子径１μｍ以
下の高強度ジルコニアが得られる。

【００２６】上記の方法によりリサイクルされた部分安
定化ジルコニア焼結体は、従前の焼結体と同等の物性を
有し、機械・構造用途に用いることができる。

【００２７】

【実施例】以下に本発明を実施例を用いて具体的に説明
する。ただし、本発明はこれに限定されない。

【００２８】(1) 以下のスペックのイットリア部分安定
化ジルコニア焼結体を原料として用いた。

【００２９】A.結晶構造；単斜晶５％、正方晶９５％で
立方晶を実質的に含まない B.平均粒径；正方晶の平均粒子径０．３５μｍ C.化学的組成；イットリア２．７モル％、アルミナ０．
３５％、シリカ０．０２％残りジルコニアからなる粉末
を１４００℃にて焼成して成る焼結体 (2) 上記組成の部分安定化ジルコニアを以下の条件にて
加熱処理し、ジルコニアゾルを得た。

【００３０】A.容積２０００ｃｃのオートクレーブ中に
上記部分安定化ジルコニアからなる５ｍｍφのボール１
００ｇと純水２００ｃｃを加えて、攪拌しながら２００
℃にて９６時間加熱処理した。

【００３１】B.ゾル状になったジルコニア粉末をオート
クレーブから取り出しバットに移し替え、８０℃にて真
空乾燥した。

【００３２】C.乾燥した粉末を３２８メッシュのステン
レス篩を用いて造粒径を整え、金型プレス機にて１トン
／平方センチメートルの圧力で２５×５０×５ｍｍのサ
イズに成形した。

【００３３】D.上記グリーン成形体を大気中、１４００
℃にて２時間焼成を行った。

【００３４】E.得られた焼結体からＪＩＳＲ−１６０
１に準拠した抗折試験片を加工採取し、密度、強度、硬
度の機械的性質および結晶構造をＸ線回折によって測定
した。

【００３５】(3) 粉末および再焼結体の特性評価 A.粉末評価オートクレーブ処理によって得られた粉末の物性につい
て測定した。

【００３６】平均１次粒子径；透過型電子顕微鏡を用い
て観察し、得られた視野から粉末の平均粒子径を横断法
により測定したところ、０．２μｍであった。

【００３７】平均２次粒子径；レーザー散乱法により測
定したところ、０．１８μｍであった。

【００３８】このことから、単分散粒子であることがわ
かった。

【００３９】加熱処理後の粉末をＸ線回折を用いて結晶
構造を同定したところ、単斜晶８５％、残りは正方晶お
よび立方晶の和が１５％であった。

【００４０】B.焼結体の測定評価機械的性質；密度５．９６グラム／立方センチメート
ル、強度１１００ＭＰａ、ビッカース硬度１２５０であ
った。

【００４１】結晶構造；Ｘ線回折により行い、単斜晶７
％、正方晶９３％で立方晶は実質的に含まれていなかっ
た。

【００４２】

【発明の効果】本発明は従来化学的に安定とされていた
セラミックスを簡単な処理によってリサイクルすること
が可能となり、資源を有効に利用できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ジルコニアを有する焼結体を原料とし
て、加熱処理によりジルコニア粉末を調製し、再び焼結
を行うことを特徴とするジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項２】１．５〜５％モル濃度のイットリア含む
ジルコニアを有する焼結体を原料とすることを特徴とす
る請求項１記載のジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項３】加熱処理によってジルコニアの５０％以
上を単斜晶にすることを特徴とする請求項１記載のジル
コニア焼結体の製造方法。
【請求項４】加熱処理の条件を純水中で１５０℃から
５００℃にて、５時間から２００時間とすることを特徴
とする請求項１記載のジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項５】加熱処理により調製した粉末の平均１次
粒子径が０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項
１記載のジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項６】該加熱処理後、該焼結前に、粉砕によ
り、粉末の平均凝集粒子径が０．５μｍから１．５μｍ
以下とすることを特徴とする請求項１記載のジルコニア
焼結体の製造方法。