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JPH01203264A - Ceramics having low thermal expandability and production thereof - Google Patents

Ceramics having low thermal expandability and production thereof

Info

Publication number
JPH01203264A
JPH01203264A JP63028276A JP2827688A JPH01203264A JP H01203264 A JPH01203264 A JP H01203264A JP 63028276 A JP63028276 A JP 63028276A JP 2827688 A JP2827688 A JP 2827688A JP H01203264 A JPH01203264 A JP H01203264A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
zirconia
low thermal
ceramics
thermal expansion
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP63028276A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaaki Mishima
昌昭 三島
Shumei Hosokawa
細川 周明
Hiroyuki Miyamoto
裕之 宮本
Taiji Matano
泰司 俣野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Krosaki Harima Corp
Original Assignee
Kurosaki Refractories Co Ltd
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kurosaki Refractories Co Ltd, Nippon Steel Corp filed Critical Kurosaki Refractories Co Ltd
Priority to JP63028276A priority Critical patent/JPH01203264A/en
Publication of JPH01203264A publication Critical patent/JPH01203264A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain ceramics maintaining low thermal expandability and having superior mechanical properties by forming a compounded structure consisting of beta-spodumene and monoclinic or tetragonal zirconia in a specified ratio as the structure of ceramics. CONSTITUTION:This ceramics having low thermal expandability has a compounded structure consisting of beta-spodumene and monoclinic or tetragonal zirconia in 88/12-60/40 weight ratio as the crystal phases of a sintered body. The ceramics can be formed as follows: 60-88wt.% powdery starting material consisting of 90-95wt.% petalite and 10-5wt.% kaolin is mixed with 40-12wt.% zirconia powder, molded and calcined at 1,250-1,350 deg.C in the air.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低熱膨張性でしかも強度、硬度、剛性等の特
性に優れた構造部材用セラミックス及びその製造方法に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to ceramics for structural members that have low thermal expansion and excellent properties such as strength, hardness, and rigidity, and a method for manufacturing the same.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

低熱膨張性を示すセラミックスとして、β−スポジュメ
ン、ユークリプタイト、コーディエライト等の結晶から
なる多結晶体がある。
Ceramics exhibiting low thermal expansion include polycrystalline bodies made of crystals such as β-spodumene, eucryptite, and cordierite.

低熱膨張性セラミックスとして広く実用化されているも
のには、リチウムアルミノ珪酸塩鉱物としてβ−スポジ
ュメン又はユークリプタイトからなるもの、あるいはコ
ーディエライト等からなる多結晶体、あるいは非晶質の
ものとしてはリチア。
Ceramics that are widely used as low thermal expansion ceramics include those made of β-spodumene or eucryptite as lithium aluminosilicate minerals, polycrystalline materials such as cordierite, and amorphous materials. is Lithia.

アルミナ、シリカを主体としたものがある。There are those mainly made of alumina and silica.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

ところが、これらの低熱膨張性セラミックスは、アルミ
ナ、ジルコニア、ムライト、炭化珪素、窒化珪素等の機
械構造部材用セラミックスと比較して、強度、硬度1弾
性率等の機械的特性において劣るという欠点がある。
However, these low thermal expansion ceramics have the disadvantage that they are inferior in mechanical properties such as strength, hardness, and elastic modulus, compared to ceramics for mechanical structural members such as alumina, zirconia, mullite, silicon carbide, and silicon nitride. .

本発明の目的は、低熱膨張性を維持すると共に機械的性
質において優れたセラミックスを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a ceramic that maintains low thermal expansion and has excellent mechanical properties.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明の低熱膨張性セラミックスは、焼結体結晶相がβ
−スポジュメンと単斜晶又は正方晶のジルコニアとの複
合組織を有し、且つβ−スボジニメン/ジルコニアの重
量分率で、8g/12〜60 /40の範囲内にあり、
緻密質、低熱膨張性、耐熱衝撃性に加えて、強度、硬度
等の機械的特性及び″耐熱衝撃性に優れたものであ゛る
The low thermal expansion ceramic of the present invention has a sintered crystal phase of β
- has a composite structure of spodumene and monoclinic or tetragonal zirconia, and the weight fraction of β-subodiumene/zirconia is within the range of 8 g/12 to 60/40;
In addition to denseness, low thermal expansion, and thermal shock resistance, it has excellent mechanical properties such as strength and hardness, and thermal shock resistance.

なお、本願明細書においては、単斜晶又は正方晶のジル
コニアを以後単にジルコニアと記す。
In this specification, monoclinic or tetragonal zirconia will be simply referred to as zirconia.

本発明による低熱膨張性セラミックスは、焼結によりβ
−スポジコメンを生成するような原料成分として葉長石
、リチア輝石等の天然原料、あるいはβ−スボジニメン
、ユークリプタイト等の人工原料とジルコニア原料成分
とを配合したものを焼成することにより得られる。ここ
で、配合するジルコニア原料としては、不純物を含有し
ない高純度ジルコニア、あるいはジルコニアの安定化材
を含有するものの何れであっても使用可能である。
The low thermal expansion ceramic according to the present invention can be produced by sintering.
- It can be obtained by firing a mixture of natural raw materials such as phyllodespar and spodium pyroxene, or artificial raw materials such as β-subozinimene and eucryptite, and zirconia raw materials as raw materials that produce sposicomene. Here, as the zirconia raw material to be blended, either high-purity zirconia containing no impurities or one containing a zirconia stabilizing material can be used.

ただし、安定化材を含有する場合には、安定化材の種類
としてはイツトリアルカリ土類金属酸化物が好ましく、
それらの含有率がイツ) IJアの場合は3〜6重量%
の範囲にあるものが望ましい。
However, when a stabilizing material is contained, it is preferable to use an alkaline earth metal oxide as the type of stabilizing material.
Their content is 3 to 6% by weight in case of IJA.
It is desirable that it falls within the range of .

すなわち、前記本発明の低熱膨張性セラミックスは、ペ
タライト90〜95重量%とカオリン10〜5重量%と
からなる出発原料粉末60〜88重量%と、ジルコニア
粉末40〜12重量%とを混合し、成形後、大気中で1
250〜1350℃で焼成して得られる。
That is, the low thermal expansion ceramic of the present invention is prepared by mixing 60-88% by weight of starting material powder consisting of 90-95% by weight of petalite and 10-5% by weight of kaolin with 40-12% by weight of zirconia powder, 1 in the air after molding
Obtained by firing at 250 to 1350°C.

出発原料におけるペタライトとカオリンとの比率に関し
て言えば、カオリンの比率が5重量%未満の場合には、
ペタライトが高温で分解する際に生成するシリカが遊離
の状態でセラミックス中に残存し、これが耐熱性に好ま
しくない影響を与える。また、カオリンの比率が10重
量%を超える場合には、過剰カオリンの分解生成物であ
るシリカが存在することになり、同様に耐熱性にとって
好ましくない。
Regarding the ratio of petalite to kaolin in the starting material, if the ratio of kaolin is less than 5% by weight,
Silica produced when petalite decomposes at high temperatures remains in the ceramic in a free form, which has an unfavorable effect on heat resistance. Furthermore, if the ratio of kaolin exceeds 10% by weight, silica, which is a decomposition product of excess kaolin, will be present, which is also unfavorable for heat resistance.

次に、上記出発原料とジルコニア粉末との比率に関して
言えば、ジルコニア粉末の比率が12重量%未満の場合
には、ジルコニアの応力誘起変態に起因する高靭性、高
強度化が充分に達成されない。
Next, regarding the ratio of the starting material to the zirconia powder, if the ratio of the zirconia powder is less than 12% by weight, high toughness and high strength due to stress-induced transformation of zirconia cannot be sufficiently achieved.

また、反対にジルコニア粉末の比率が40重量%を超え
る場合には、ジルコニア固有の高熱膨張性が現れてくる
ために、目的とする低熱膨張性が得られないことになる
On the other hand, if the proportion of zirconia powder exceeds 40% by weight, the high thermal expansion characteristic of zirconia will appear, making it impossible to obtain the desired low thermal expansion.

配合物の調整条件としては、ジルコニア原料成分が配合
物中において均一に分布されていることが非常に重要で
ある。このために、各原料成分を混合する際に、湿式混
合法を採用することが望ましい。具体的にはボールミル
、アトリションミル等がある。このとき成形方法に応じ
て、結合剤。
Regarding the conditions for adjusting the blend, it is very important that the zirconia raw material components are uniformly distributed in the blend. For this reason, it is desirable to employ a wet mixing method when mixing each raw material component. Specifically, there are ball mills, attrition mills, etc. At this time, depending on the molding method, binder.

潤滑剤、湿潤剤、可塑剤等の成形助剤を配合物中に添加
することガ一般的である。
It is common to add molding aids such as lubricants, wetting agents, plasticizers, etc. to the formulation.

成形方法としては、−軸加工成形、冷間静水圧成形、押
出成形、鋳込成形等の従来から広〈実施されている方法
がそのまま適用できる。
As the forming method, conventionally widely practiced methods such as -axis forming, cold isostatic pressing, extrusion, and casting can be applied as they are.

さらに、成形体の焼成条件は、従来のりチウムアルミノ
珪酸塩鉱物からなる低熱膨張性セラミックスの焼成条件
と同様であり、1250〜1350℃の大気中で焼成す
る。焼成温度がこの範囲よりも低い場合には焼結不充分
であり、本発明の高強度、高靭性化が達成されない。焼
成温度がこの範囲よりも高い場合には、リチウムアルミ
ノ珪酸塩鉱物の軟化、溶融現象が生じて好ましくない。
Furthermore, the firing conditions for the molded body are similar to those for conventional low thermal expansion ceramics made of lithium aluminosilicate minerals, and are fired in the atmosphere at 1250 to 1350°C. If the firing temperature is lower than this range, sintering will be insufficient and the high strength and toughness of the present invention will not be achieved. If the firing temperature is higher than this range, softening and melting phenomena of the lithium aluminosilicate mineral occur, which is not preferable.

このようにして得られるセラミックスの微細組織は、β
−スボジニメンを母相としてその中にジルコニア結晶粒
が互いに孤立して存在した構造を有する。このジルコニ
ア粒の結晶相は粒径の大小によって正方晶系の場合と単
斜晶系の場合とがある。このような微細組織を有するセ
ラミックスに外部から機械的あるいは熱的応力が作用す
ると、いわゆる応力誘起変態と内在する微細亀裂のため
に、強度又は靭性等の機械的特性が向上する。また、β
−スポジニメンの硬度よりもジルコニアの硬度のほうが
高いために、本発明による低熱膨張性セラミックスの硬
度は、全体としてβ−スポジニメンそのものの硬度より
も高くなる。
The microstructure of the ceramic obtained in this way is β
- It has a structure in which zirconia crystal grains exist isolated from each other in a matrix of subozinimene. The crystal phase of the zirconia grains may be tetragonal or monoclinic depending on the grain size. When external mechanical or thermal stress is applied to ceramics having such a microstructure, mechanical properties such as strength or toughness are improved due to so-called stress-induced transformation and inherent microcracks. Also, β
- Since the hardness of zirconia is higher than that of sposinimene, the hardness of the low thermal expansion ceramic according to the present invention is higher than the hardness of β-sposinimene itself as a whole.

一方、ジルコニアの熱膨張率は非常に大きいが、本発明
による低熱膨張性セラミックスにおいてはジルコニア粒
が互いに孤立して存在しているために、焼結体全体とし
ての熱膨張率は大きくならず、β−スポジュメンの低熱
膨張特性がそのまま残存。
On the other hand, although the coefficient of thermal expansion of zirconia is very large, in the low thermal expansion ceramic according to the present invention, the zirconia grains exist isolated from each other, so the coefficient of thermal expansion of the sintered body as a whole does not become large. The low thermal expansion properties of β-spodumene remain intact.

維持されることになる。It will be maintained.

以上のような効果は、と(に、β−スポジュメンとジル
コニアとの比率が、β−スポジュメン/ジルコニアの重
量分率で88/12〜60 /40である場合に発揮さ
れる。すなわち、ジルコニアの重量分率が12未満の場
合には、ジルコニアの応力誘起変態の寄与が非常に少な
く、強度、靭性等の改善あるいは硬度の改善等が認めら
れない。また、ジルコニアの重量分率が40を超えて多
くなると、ジルコニア粒間の連結が生じるために、ジル
コニア固有の高熱膨張の寄与が無視できなくなって、目
的の低熱膨張性が得られなくなる。
The above effects are exhibited when the ratio of β-spodumene to zirconia is 88/12 to 60/40 in terms of weight fraction of β-spodumene/zirconia. When the weight fraction is less than 12, the contribution of stress-induced transformation of zirconia is very small, and no improvement in strength, toughness, or hardness is observed. When the number of zirconia particles increases, connections occur between zirconia grains, and the contribution of the high thermal expansion inherent to zirconia cannot be ignored, making it impossible to obtain the desired low thermal expansion.

〔実施例〕〔Example〕

75−以下の粒径のものを98%以上含み、且つ、結晶
相がペタライトの天然原料粉末とカオリン粉末と加水分
解法により作製された高純度ジルコニア微粉末とを第1
表に示す配合割合でボールミルを使用して湿式混合した
。得られたスリップを鋳込成形して成形体を作製した後
、電気炉を使用して1300℃の大気中に1時間保持し
て焼結体を作製した。このようにして得られた焼結体の
特性を第2表に示す。
A natural raw material powder containing 98% or more of particles with a particle size of 75 mm or less and having a petalite crystal phase, a kaolin powder, and a high-purity zirconia fine powder produced by a hydrolysis method are first prepared.
Wet mixing was performed using a ball mill at the mixing ratio shown in the table. The obtained slip was cast to produce a molded body, and then kept in the atmosphere at 1300° C. for 1 hour using an electric furnace to produce a sintered body. The properties of the sintered body thus obtained are shown in Table 2.

表中O印を付したものは本発明によるものである。Those marked with O in the table are those according to the present invention.

第  1  表 第  2  表 ※1:室温〜1000℃の間での線膨張率を示す。Table 1 Table 2 *1: Indicates the coefficient of linear expansion between room temperature and 1000°C.

※2:ビッカース硬度 本発明によるセラミックスは、1000℃までの熱膨張
率が0.2%以下と非常に低熱膨張性であり、曲げ強さ
、硬度等の機械的特性がジルコニアの応力誘起変態効果
により向上していることが判る。
*2: Vickers hardness The ceramic according to the present invention has a very low thermal expansion coefficient of 0.2% or less up to 1000°C, and its mechanical properties such as bending strength and hardness are similar to the stress-induced transformation effects of zirconia. It can be seen that this has improved.

第1表には記載圓ていないが、ジルコニア含有率が本発
明の範囲を超えて多くなると、低熱膨張特性が発揮され
なくなる。
Although not mentioned in Table 1, when the zirconia content exceeds the range of the present invention, low thermal expansion characteristics are no longer exhibited.

電気炉による焼成温度が1250℃未満の場合には緻密
なセラミックスとならず、目的とする優れた機械的特性
が得られなかった。1350℃よりも高温で焼成すると
、焼成体に軟化、変形等の現象が認められた。
If the firing temperature in the electric furnace was less than 1250°C, the ceramic would not be dense and the intended excellent mechanical properties could not be obtained. When fired at a temperature higher than 1350°C, phenomena such as softening and deformation were observed in the fired product.

第1図及び第2図は、表中N03及びNα5による焼結
体の研磨断面写真(倍率280倍)を示す。
FIGS. 1 and 2 show photographs (magnification: 280 times) of polished cross sections of sintered bodies with N03 and Nα5 in the table.

第1図は88重量%のβ−スポジニメンと12重量%の
ジルコニアとの複合組織からなっている例を示し、第2
図は60重量%のβ−スポジュメンと40重量%ジルコ
ニアとの複合組織からなっている例を示す。
Figure 1 shows an example consisting of a composite structure of 88% by weight β-sposinimen and 12% by weight zirconia;
The figure shows an example of a composite structure of 60% by weight β-spodumene and 40% by weight zirconia.

同写真を参照して、本発明のセラミックスはβ−スポジ
ュメンのマトリックス(灰色の領域)中にジルコニア結
晶粒(白色の領域)が偏在することなく均一にかつ相互
に孤立した構造を有していることを示している。なお、
同写真で不規則な粒状に見える部分は、断面に開口した
空隙である。
Referring to the same photo, the ceramic of the present invention has a structure in which zirconia crystal grains (white regions) are not unevenly distributed in the β-spodumene matrix (gray regions) and are uniform and isolated from each other. It is shown that. In addition,
In the same photo, the parts that look like irregular grains are voids that are open in the cross section.

これらの結果より、ジルコニアの含有比率が本発明によ
る範囲よりも多くなると、ジルコニア粒は相互に接続し
た連続相をなすことが容易に推定される。
From these results, it is easily presumed that when the content ratio of zirconia exceeds the range according to the present invention, the zirconia grains form a continuous phase in which they are interconnected.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の高強度低熱膨張性セラミックスによって以下の
効果を奏することができる。
The high-strength, low-thermal-expansion ceramic of the present invention can provide the following effects.

(1)焼結体を構成する結晶相がβ−スポジュメン主体
であるために、熱膨張率が非常に小さい。
(1) Since the crystal phase constituting the sintered body is mainly composed of β-spodumene, the coefficient of thermal expansion is extremely small.

(2)焼結体中に均一に分散されているジルコニア結晶
粒の応力誘起変態の効果により、高強度、高靭性の焼結
体を得ることができる。
(2) Due to the effect of stress-induced transformation of zirconia crystal grains uniformly dispersed in the sintered body, a sintered body with high strength and high toughness can be obtained.

(3)  β−スボジニメン単体の焼結体に比較して、
上記(2)以外の機械的特性(硬度1弾性率等)が優れ
た焼結体を得ることができる。
(3) Compared to a sintered body of β-subozinimen alone,
A sintered body having excellent mechanical properties (hardness, elastic modulus, etc.) other than the above (2) can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図及び第2図は、本発明のセラミックスの微細組織
を示すための研磨面顕微鏡写真を示す。 特許出願人  黒崎窯業株式会社(ほか1名)代  理
  人   小  堀     益  (ほか2名)1
 ] 、 ダ※ 第 2TZ
FIGS. 1 and 2 show micrographs of polished surfaces showing the microstructure of the ceramic of the present invention. Patent applicant: Kurosaki Ceramics Co., Ltd. (and 1 other person) Agent: Masu Kobori (and 2 others)1
], Da* 2nd TZ

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.焼結体結晶相がβ−スポジュメンと単斜晶又は正方
晶のジルコニアとの複合組織を有し、且つβ−スポジュ
メン/ジルコニアの重量分率で、88/12〜60/4
0の範囲内にあることを特徴とする低熱膨張性セラミッ
クス。
1. The crystal phase of the sintered body has a composite structure of β-spodumene and monoclinic or tetragonal zirconia, and the weight fraction of β-spodumene/zirconia is 88/12 to 60/4.
A low thermal expansion ceramic characterized by having a low thermal expansion within a range of 0.
2.ペタライト90〜95重量%とカオリン10〜5重
量%とからなる出発原料粉末60〜88重量%とジルコ
ニア粉末40〜12重量%とを混合,成形後、1250
〜1350℃の大気中で焼成することを特徴とする低熱
膨張性セラミックスの製造方法。
2. After mixing and molding 60-88% by weight of starting raw material powder consisting of 90-95% by weight of petalite and 10-5% by weight of kaolin and 40-12% by weight of zirconia powder,
A method for producing low thermal expansion ceramics, characterized by firing in the atmosphere at a temperature of ~1350°C.
JP63028276A 1988-02-08 1988-02-08 Ceramics having low thermal expandability and production thereof Pending JPH01203264A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0853072A1 (en) * 1997-01-13 1998-07-15 Corning Incorporated Method of producing Beta-Spodumene Bodies
CN1298667C (en) * 2005-06-27 2007-02-07 陈瑶武 Medium-temperature heat-resistant ceramic and preparation method thereof

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