JP6911290B2 - Colored translucent zirconia sintered body, its manufacturing method, and its use - Google Patents
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Description
本発明は、高い透光性及び強度を有する着色されたジルコニア焼結体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a colored zirconia sintered body having high translucency and strength, and a method for producing the same.
ジルコニアを主成分とする焼結体であって透光性を有するもの(以下、「透光性ジルコニア焼結体」ともいう。)は、ガラスやアルミナよりも機械的特性に優れる。そのため、透光性ジルコニア焼結体は、光学特性のみならず機械的特性をも必要とする用途を目的とした素材として検討されている。 A sintered body containing zirconia as a main component and having translucency (hereinafter, also referred to as “translucent zirconia sintered body”) is superior in mechanical properties to glass and alumina. Therefore, the translucent zirconia sintered body is being studied as a material for applications that require not only optical properties but also mechanical properties.
例えば、特許文献1には歯科用材料や外装部材等に適した素材としての透光性ジルコニア焼結体が開示されている。当該透光性ジルコニア焼結体は、3mol%のイットリアを含有するジルコニア焼結体であった。
For example,
特許文献2には、歯科用材料、特に歯列矯正ブラケットに適した素材としての透光性ジルコニア焼結体が開示されている。当該透光性ジルコニア焼結体は、8mol%のイットリアを含有するジルコニア焼結体であった。
特許文献3には、歯科用材料、特に義歯及び義歯を得るためのミルブランクに適した素材としてのジルコニア焼結体が開示されている。当該ジルコニア焼結体は、イットリア及びチタニアを含有するジルコニア焼結体であった。
従来のジルコニア焼結体は、ジルコニア中の安定化剤の含有量が高くなることにより、透光性が高くなるとともに強度が低下するものであった。他方、安定化剤の含有量が低くなることにより、従来のジルコニア焼結体は、透光性が低くなるとともに強度が高くなるものであった。このように、従来のジルコニア焼結体は、透光性又は強度のいずれかが高いものしかなかった。 In the conventional zirconia sintered body, the content of the stabilizer in the zirconia is increased, so that the translucency is increased and the strength is decreased. On the other hand, due to the low content of the stabilizer, the conventional zirconia sintered body has a low translucency and a high strength. As described above, the conventional zirconia sintered body has only high translucency or strength.
本発明は、これらの課題を解決し、高い透光性及び高い強度を兼備し、なおかつ審美性及び意匠性にも優れたジルコニア焼結体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve these problems and to provide a zirconia sintered body having high translucency and high strength, and also having excellent aesthetics and design.
本研究者等は、透光性を有するジルコニア焼結体について検討した。その結果、結晶粒子内の組織構造を制御することで、強度及び透光性を兼備した焼結体となることを見出した。このような結晶粒子内の組織構造は、ランタンをジルコニアに固溶させることで制御できることを見出した。さらに、このような結晶粒子内の組織構造を変化させることなく焼結体を着色でき、意匠性をより高くできることを見出した。 The researchers investigated a translucent zirconia sintered body. As a result, it was found that by controlling the structure structure in the crystal particles, a sintered body having both strength and translucency can be obtained. It has been found that the structure structure in such crystal particles can be controlled by dissolving lanthanum in zirconia. Furthermore, it has been found that the sintered body can be colored without changing the structure structure in the crystal particles, and the design property can be further enhanced.
すなわち、本発明は、立方晶ドメイン及び正方晶ドメインを有する結晶粒子を含み、安定化剤及びランタンを固溶し、なおかつ、ランタン以外のランタノイド又は遷移金属の少なくともいずれかを含有することを特徴とするジルコニア焼結体である。 That is, the present invention is characterized by containing crystal particles having a cubic domain and a tetragonal domain, dissolving a stabilizer and lanthanum as a solid solution, and containing at least one of a lanthanoid other than lanthanum or a transition metal. It is a zirconia sintered body.
以下、本発明のジルコニア焼結体について説明する。 Hereinafter, the zirconia sintered body of the present invention will be described.
本発明のジルコニア焼結体は焼結体中に単にランタン(La)を含むのではなく、ジルコニアにランタンが固溶した、ランタン固溶ジルコニア焼結体である。ランタンが固溶することで、焼結体の結晶粒子の組織構造が微細になる。 The zirconia sintered body of the present invention is a lanthanum solid-dissolved zirconia sintered body in which lanthanum is solid-dissolved in zirconia, rather than simply containing lanthanum (La) in the sintered body. The solid solution of the lantern makes the structure of the crystal particles of the sintered body finer.
本発明のジルコニア焼結体(以下、「本発明の焼結体」ともいう。)において、ランタンがジルコニアに固溶していることは粉末X線回折(以下、「XRD」とする。)パターンから確認することができる。本発明の焼結体はCuKα線(λ=0.15418nm)を線源とするXRD測定において、2θ=30±2°のピーク(以下、「メインピーク」ともいう。)を有する。メインピークは正方晶ジルコニアのXRDピーク(2θ=30.0±2°)及び立方晶ジルコニアのXRDピーク(2θ=29.6±2°)が重複したピークであり、なおかつ、本発明の焼結体のXRDパターンにおける回折強度が最も強いXRDピークである。メインピークから求められる格子定数が、ランタンを固溶しないジルコニア焼結体よりも大きいことから、本発明の焼結体においてランタンがジルコニアに固溶していることが確認できる。例えば、本発明の焼結体がランタン及び3mol%のイットリアを含有する場合、その格子定数は、同量のイットリアのみを含有するジルコニア焼結体の格子定数よりも大きくなる。格子定数が大きいことは、XRDパターンにおいてメインピークが低角側へシフトすることから確認できる。 In the zirconia sintered body of the present invention (hereinafter, also referred to as “sintered body of the present invention”), the fact that the lantern is solid-dissolved in zirconia is a powder X-ray diffraction (hereinafter, referred to as “XRD”) pattern. You can check from. The sintered body of the present invention has a peak of 2θ = 30 ± 2 ° (hereinafter, also referred to as “main peak”) in XRD measurement using CuKα ray (λ = 0.15418 nm) as a radiation source. The main peak is a peak in which the XRD peak of tetragonal zirconia (2θ = 30.0 ± 2 °) and the XRD peak of cubic zirconia (2θ = 29.6 ± 2 °) overlap, and the sintering of the present invention. This is the XRD peak with the strongest diffraction intensity in the XRD pattern of the body. Since the lattice constant obtained from the main peak is larger than that of the zirconia sintered body in which the lanthanum is not solid-solved, it can be confirmed that the lanthanum is solid-solved in zirconia in the sintered body of the present invention. For example, when the sintered body of the present invention contains lantern and 3 mol% yttria, its lattice constant is larger than the lattice constant of the zirconia sintered body containing only the same amount of yttria. The large lattice constant can be confirmed from the fact that the main peak shifts to the low angle side in the XRD pattern.
さらに、本発明の焼結体は、ランタンとジルコニウムとからなる複合酸化物又はランタン酸化物(以下、「ランタン酸化物等」ともいう。)を実質的に含有しないことが好ましい。ランタン酸化物等を含まないことで、本発明の焼結体が、より透光性の高い焼結体となる。ランタン酸化物等を含まないことは、本発明の焼結体のXRDパターンにおいて、ジルコニアのXRDピーク以外に相当するXRDピークを有さないことから確認することができる。ランタン酸化物等としてはLa2Zr2O7、及びLa2O3を例示することができる。 Further, it is preferable that the sintered body of the present invention does not substantially contain a composite oxide composed of lanthanum and zirconium or a lanthanum oxide (hereinafter, also referred to as "lanthanum oxide or the like"). By not containing lanthanum oxide or the like, the sintered body of the present invention becomes a sintered body having higher translucency. The absence of lanthanum oxide or the like can be confirmed from the fact that the XRD pattern of the sintered body of the present invention does not have an XRD peak corresponding to other than the XRD peak of zirconia. Examples of the lanthanum oxide and the like include La 2 Zr 2 O 7 and La 2 O 3.
本発明の焼結体のランタン含有量は1mol%以上であることが好ましい。ランタンを2mol%以上含有することで、結晶粒子中のドメインが微細になりやすい。ランタン含有量(mol%)は、焼結体中のジルコニア、安定化剤、酸化物換算したランタン(La2O3)及び、ランタン以外のランタノイド又は遷移金属の少なくともいずれか(以下、「着色成分」ともいう。)を酸化物換算したものの合計に対する、酸化物換算したランタンのモル割合である。ジルコニアに全てのランタンを固溶させるため、本発明の焼結体のランタンの含有量は10mol%以下であることが好ましい。ランタンの含有量を10mol%以下とすることで、ランタン酸化物等の析出がより抑制され、なおかつ、本発明の焼結体の強度が高くなりやすい。好ましいランタン含有量として、1mol%以上、10mol%以下、更には1mol%以上、7mol%以下、また更には2mol%以上、10mol%以下、また更には2mol%以上、7mol%以下、また更には2mol%以上、6.5mol%以下、また更には3mol%以上、6.5mol%以下を挙げることができる。 The lanthanum content of the sintered body of the present invention is preferably 1 mol% or more. By containing 2 mol% or more of lanthanum, the domain in the crystal particles tends to become fine. The lanthanum content (mol%) is at least one of zirconia in the sintered body, a stabilizer, an oxide-converted lanthanum (La 2 O 3 ), and a lanthanoid or transition metal other than lanthanum (hereinafter, "coloring component"). It is the molar ratio of lanthanum converted to oxide to the total of converted lanthanum. Since all the lanterns are dissolved in zirconia, the lanthanum content of the sintered body of the present invention is preferably 10 mol% or less. By setting the lanthanum content to 10 mol% or less, the precipitation of lanthanum oxide and the like is further suppressed, and the strength of the sintered body of the present invention tends to be increased. Preferred lanthanum content is 1 mol% or more and 10 mol% or less, further 1 mol% or more, 7 mol% or less, further 2 mol% or more and 10 mol% or less, further 2 mol% or more, 7 mol% or less, and further 2 mol. % Or more and 6.5 mol% or less, and further 3 mol% or more and 6.5 mol% or less.
本発明の焼結体は、安定化剤及びランタンに加え、ランタン以外のランタノイド又は遷移金属の少なくとも1種(着色成分)を含む。着色成分を含有することにより、本発明の焼結体が無色以外に呈色する。このような呈色により焼結体の意匠性を上げることができる。 着色成分は種類により酸化物換算した場合のmol数が大きく異なる。一方、上記の着色成分の含有量は、焼結体重量に対する酸化物換算した着色成分の重量割合として、例えば、0.01wt%以上5wt%以下、更には0.01wt%以上3wt%以下であることが挙げられる。 In addition to the stabilizer and lanthanum, the sintered body of the present invention contains at least one kind (coloring component) of a lanthanoid or a transition metal other than lanthanum. By containing a coloring component, the sintered body of the present invention develops a color other than colorless. Such coloring can improve the design of the sintered body. The number of moles of the coloring component when converted to oxide differs greatly depending on the type. On the other hand, the content of the coloring component is, for example, 0.01 wt% or more and 5 wt% or less, and further 0.01 wt% or more and 3 wt% or less as the weight ratio of the colored component in terms of oxide to the weight of the sintered body. Can be mentioned.
ランタン以外のランタノイド元素として、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、ユーロピウム(Eu)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロジム(Dy)、ホロニウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)及びルテチウム(Lu)からなる群の少なくとも1種、更にはセリウム、プラセオジム、ネオジム及びエルビウムから成る群の少なくとも1種を挙げることができる。 Examples of lanthanoid elements other than lanthanum include cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), disprodium (Dy), holonium (Ho), and erbium (Er). ), Thurium (Tm), Itterbium (Yb) and Lutetium (Lu), and at least one of the group consisting of cerium, praseodymium, neodymium and erbium.
ランタノイド元素はジルコニアを安定化させる機能を有するため、ランタン以外のランタノイド元素を含むと、立方晶ドメイン及び正方晶ドメインを含む結晶粒子が得られにくくなると考えられていた。しかしながら、本発明の焼結体においては、安定化剤とランタンとが固溶して得られる結晶粒子の組織構造に影響を与えることなく、これにランタン以外のランタノイドを共存させることができる。本発明の焼結体におけるランタン以外のランタノイド元素の含有量は0.6mol%を超えることが好ましい。ランタン以外のランタノイドの含有量は0.65mol%以上、更には0.7mol%以上であればよく、また、ランタノイド元素として2mol%以下、更には1.5mol%以下であればよい。ランタン以外のランタノイドの含有量がこの範囲であることで、安定化剤及びランタンが固溶することにより得られる結晶粒子の組織構造を維持したまま、これらのランタノイドもジルコニアに固溶し、なおかつ、これらのランタノイドに起因する呈色を示すことができる。 Since the lanthanoid element has a function of stabilizing zirconia, it has been considered that if a lanthanoid element other than lanthanum is contained, it becomes difficult to obtain crystal particles containing a cubic domain and a tetragonal domain. However, in the sintered body of the present invention, lanthanoids other than lanthanum can coexist without affecting the structure of crystal particles obtained by solid solution of the stabilizer and lanthanum. The content of lanthanoid elements other than lanthanum in the sintered body of the present invention preferably exceeds 0.6 mol%. The content of the lanthanoid other than lanthanum may be 0.65 mol% or more, further 0.7 mol% or more, and the lanthanoid element may be 2 mol% or less, further 1.5 mol% or less. When the content of lanthanoids other than lanthanum is in this range, these lanthanoids are also solid-solved in zirconia while maintaining the structure of the crystal particles obtained by solid-solving the stabilizer and lanthanum. It is possible to show the coloration caused by these lanthanoids.
本発明の焼結体が含有する遷移金属は、銅(Cu)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)及びバナジウム(V)からなる群の少なくとも1種を挙げることができ、鉄、マンガン、クロム、銅及びバナジウムからなる群の少なくとも1種であることが好ましい。遷移金属に起因する呈色は強いため、ランタノイドよりも少ない含有量であっても、焼結体を着色しやすい。本発明の焼結体における遷移金属の含有量は元素として0.01mol%以上、更には0.05mol%以上であればよく、遷移金属元素として0.2mol%以下、更には0.1mol%以下であればよい。 The transition metal contained in the sintered body of the present invention is a group consisting of copper (Cu), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), chromium (Cr), nickel (Ni) and vanadium (V). At least one of the group consisting of iron, manganese, chromium, copper and vanadium is preferable. Since the coloration caused by the transition metal is strong, it is easy to color the sintered body even if the content is lower than that of the lanthanoid. The content of the transition metal in the sintered body of the present invention may be 0.01 mol% or more as an element, further 0.05 mol% or more, and 0.2 mol% or less as a transition metal element, further 0.1 mol% or less. It should be.
着色成分の酸化物は、例えば、Nd2O3やPr6O11のように、着色成分元素の種類によって酸化物中に含まれる着色成分のmol数が大きく異なる。そのため、着色成分は、例えば、Nd2O3をNdO1.5、Pr6O11をPrO11/6及びV2O5をVO2.5とみなすと、すなわち、組成式中の着色成分元素の数を1として表した酸化物換算量(以下、「比酸化物換算」ともいう。)として換算することもできる。比酸化物換算した量は、焼結体中の着色成分の元素量とは等しくなる。 The number of moles of the coloring component contained in the oxide differs greatly depending on the type of the coloring component element, for example, Nd 2 O 3 and Pr 6 O 11 in the oxide of the coloring component. Therefore, as the coloring component, for example, Nd 2 O 3 is regarded as Nd O 1.5 , Pr 6 O 11 is regarded as Pr O 11/6, and V 2 O 5 is regarded as VO 2.5 , that is, the coloring component element in the composition formula. It can also be converted as an oxide conversion amount (hereinafter, also referred to as "specific oxide conversion") in which the number of is expressed as 1. The amount converted to specific oxide is equal to the elemental amount of the coloring component in the sintered body.
そのため、本発明の焼結体の着色成分の含有量は、焼結体重量に対する酸化物換算した着色成分の重量割合(wt%)、又は、焼結体中のジルコニア、安定化剤、酸化物換算したランタン(La2O3)及び比酸化物換算した着色成分の合計に対する、比酸化物換算した着色成分のモル割合であればよい。 Therefore, the content of the coloring component of the sintered body of the present invention is the weight ratio (wt%) of the coloring component in terms of oxide to the weight of the sintered body, or zirconia, stabilizer, oxide in the sintered body. The molar ratio of the colored component converted to the specific oxide to the total of the converted lanthanum (La 2 O 3) and the colored component converted to the specific oxide may be used.
本発明の焼結体は、安定化剤を含む。安定化剤はジルコニア中に固溶する。ランタン及び安定化剤がジルコニアに固溶することで、室温等の低温環境下においても、本発明の焼結体の結晶粒子が立方晶ドメイン及び正方晶ドメインを含んだ状態となる。安定化剤は、イットリア(Y2O3)、スカンジア(Sc2O3)、カルシア(CaO)、及びマグネシア(MgO)からなる群の少なくとも1種であることが好ましい。工業的に利用しやすいため、安定化剤はカルシア、マグネシア及びイットリアからなる群の少なくともいずれか、更にはイットリアであることが好ましい。 The sintered body of the present invention contains a stabilizer. The stabilizer dissolves in zirconia. When the lanthanum and the stabilizer are dissolved in zirconia, the crystal particles of the sintered body of the present invention contain the cubic domain and the tetragonal domain even in a low temperature environment such as room temperature. The stabilizer is preferably at least one of the group consisting of Itria (Y 2 O 3 ), Scandia (Sc 2 O 3 ), Calcia (CaO), and Magnesia (MgO). Since it is easy to use industrially, the stabilizer is preferably at least one of the group consisting of calcia, magnesia and ittoria, and more preferably yttrium.
本発明の焼結体が含む安定化剤は、2mol%以上、7mol%以下、更には2mol%以上、5mol%以下、また更には2.1mol%以上、4.9mol%以下、また更には2mol%以上、4mol%以下であることが挙げられる。なお、安定化剤含有量(mol%)は、焼結体中のジルコニア、安定化剤、酸化物換算したランタン(La2O3)及び酸化物換算した着色成分の合計に対する、安定化剤のモル割合である。 The stabilizer contained in the sintered body of the present invention is 2 mol% or more, 7 mol% or less, further 2 mol% or more and 5 mol% or less, further 2.1 mol% or more and 4.9 mol% or less, and further 2 mol. % Or more and 4 mol% or less. The stabilizer content (mol%) is the amount of the stabilizer with respect to the total of zirconia, stabilizer, oxide-converted lanthanum (La 2 O 3 ) and oxide-converted coloring component in the sintered body. It is a molar ratio.
本発明の焼結体はジルコニア焼結体であり、ジルコニアを主成分とする焼結体である。そのため、本発明の焼結体に含まれる安定化剤及びランタンの合計含有量が50mol%未満であればよい。本発明の焼結体のジルコニア含有量は50mol%超であればよく、更には60mol%以上、また更には80mol%以上、また更には83mol%超、また更には90mol%以上であることが好ましい。 The sintered body of the present invention is a zirconia sintered body, which is a sintered body containing zirconia as a main component. Therefore, the total content of the stabilizer and the lanthanum contained in the sintered body of the present invention may be less than 50 mol%. The zirconia content of the sintered body of the present invention may be more than 50 mol%, more preferably 60 mol% or more, further 80 mol% or more, further more than 83 mol%, and further preferably 90 mol% or more. ..
本発明の焼結体はアルミナ(Al2O3)を含んでいてもよい。アルミナを含有することで、特に強度が高い焼結体における透光性が高くなりやすい。本発明の焼結体がアルミナを含む場合、アルミナ含有量は100重量ppm以上2000重量ppm以下、更には200重量ppm以上1000重量ppm以下であることが好ましい。アルミナの含有量(重量ppm)は、焼結体中のジルコニア、安定化剤、酸化物換算したランタン(La2O3)及び酸化物換算した着色成分の合計重量に対する、酸化物換算したアルミニウム(Al2O3)の重量割合である。 The sintered body of the present invention may contain alumina (Al 2 O 3). By containing alumina, the translucency tends to be high especially in a sintered body having high strength. When the sintered body of the present invention contains alumina, the alumina content is preferably 100% by weight or more and 2000% by weight or less, and more preferably 200% by weight or more and 1000% by weight or less. The alumina content (ppm by weight) is the oxide-converted aluminum (weight ppm) with respect to the total weight of zirconia, stabilizer, oxide-converted lanthanum (La 2 O 3 ) and oxide-converted coloring component in the sintered body. It is the weight ratio of Al 2 O 3).
本発明の焼結体は上記の組成を有するが、不可避不純物は含んでいてもよい。不可避不純物としては、ハフニウム(Hf)が挙げられる。 The sintered body of the present invention has the above composition, but may contain unavoidable impurities. Examples of unavoidable impurities include hafnium (Hf).
本発明の焼結体は、結晶粒子中に立方晶ドメイン及び正方晶ドメインを有する。結晶粒子中に立方晶ドメインと正方晶ドメインとが含まれることで、透光性が高いだけでなく、強度が高くなる。本発明において、ドメインとは、結晶粒子中の結晶子又は結晶子の集合体の少なくともいずれかであって、同一の結晶構造が連続した部分である。また、立方晶ドメインとは結晶構造が立方晶蛍石型構造であるドメイン、及び、正方晶ドメインとは結晶構造が正方晶蛍石型構造であるドメインである。本発明の焼結体が、その結晶粒子中に立方晶ドメイン及び正方晶ドメインを有することは、XRDパターンのリートベルト解析により確認することができる。すなわち、XRDパターンのリートベルト解析により、本発明の焼結体が立方晶と正方晶とを含むことが確認できる。なおかつ、リートベルト解析により算出される立方晶と正方晶のそれぞれの結晶子径が、結晶粒子径よりも小さいことから、結晶粒子中に立方晶ドメインと正方晶ドメインを含むことを確認することができる。さらには、正方晶の結晶子径と立方晶の結晶子径とが同程度であることが好ましく、例えば、正方晶の結晶子径に対する立方晶の結晶子径が0.8〜1.3、更には0.9〜1.1であることが挙げられる。本発明の焼結体は、立方晶ドメイン及び正方晶ドメインを有する結晶粒子を含むが、立方晶ドメイン及び正方晶ドメインを有する結晶粒子からなることが好ましい。 The sintered body of the present invention has a cubic domain and a tetragonal domain in the crystal particles. By including the cubic domain and the tetragonal domain in the crystal particles, not only the translucency is high but also the strength is high. In the present invention, a domain is at least one of a crystallite or an aggregate of crystallites in a crystal particle, and is a portion in which the same crystal structure is continuous. The cubic domain is a domain whose crystal structure is a cubic fluorite type structure, and the tetragonal domain is a domain whose crystal structure is a tetragonal fluorite type structure. It can be confirmed by Rietveld analysis of the XRD pattern that the sintered body of the present invention has a cubic domain and a tetragonal domain in its crystal particles. That is, it can be confirmed by Rietveld analysis of the XRD pattern that the sintered body of the present invention contains cubic crystals and tetragonal crystals. Moreover, since the crystallite diameters of cubic and tetragonal crystals calculated by Rietveld analysis are smaller than the crystal particle diameter, it can be confirmed that the crystal particles include the cubic and tetragonal domains. can. Further, it is preferable that the crystallite diameter of the tetragonal crystal and the crystallite diameter of the cubic crystal are about the same. For example, the crystallite diameter of the cubic crystal is 0.8 to 1.3 with respect to the crystallite diameter of the tetragonal crystal. Further, it may be 0.9 to 1.1. The sintered body of the present invention contains crystal particles having a cubic domain and a tetragonal domain, and is preferably composed of crystal particles having a cubic domain and a tetragonal domain.
本発明の焼結体は上記のドメインを含むため、その結晶構造は立方晶蛍石型構造及び正方晶蛍石型構造を含む。さらに、本発明の焼結体は、単斜晶を実質的に含まないことが好ましい。ここで、単斜晶を実質的に含まないとは、XRDパターンにおいて単斜晶のXRDピークが確認されないことが挙げられる。 Since the sintered body of the present invention contains the above domains, its crystal structure includes a cubic fluorite type structure and a tetragonal fluorite type structure. Furthermore, the sintered body of the present invention preferably contains substantially no monoclinic crystals. Here, the fact that the monoclinic crystal is not substantially contained means that the XRD peak of the monoclinic crystal is not confirmed in the XRD pattern.
立方晶ドメイン及び正方晶ドメインのランタン濃度は同じであってもよいが、本発明の焼結体において、結晶粒子中の立方晶ドメイン及び正方晶ドメインのそれぞれのランタン濃度が異なっていてもよく、さらには立方晶ドメインのランタン濃度が正方晶ドメインのランタン濃度よりも高くなっていてもよい。本発明において各ドメイン中のランタン濃度は透過型電子顕微鏡(以下、「TEM」とする。)観察における組成分析により観察することができる。 The lantern concentrations of the cubic domain and the tetragonal domain may be the same, but in the sintered body of the present invention, the lantern concentrations of the cubic domain and the tetragonal domain in the crystal particles may be different. Furthermore, the lantern concentration in the cubic domain may be higher than the lantern concentration in the tetragonal domain. In the present invention, the lanthanum concentration in each domain can be observed by composition analysis in transmission electron microscope (hereinafter referred to as "TEM") observation.
本発明の焼結体は、メインピークの半値幅(以下、「FWHM」とする。)から算出される平均結晶子径(以下、単に「平均結晶子径」ともいう。)が255nm以下であることが好ましい。平均結晶子径が250nm以下、更には150nm以下、また更には130nm以下であることで透光性が高くなりやすい。さらに、平均結晶子径が100nm以下、更には60nm以下、また更には50nm以下、また更には35nm以下、また更には25nm以下であることで、光散乱がより抑制される。これにより本発明の焼結体の透光性がより高くなる。 The sintered body of the present invention has an average crystallite diameter (hereinafter, also simply referred to as “average crystallite diameter”) calculated from the full width at half maximum of the main peak (hereinafter, referred to as “FWHM”) of 255 nm or less. Is preferable. When the average crystallite diameter is 250 nm or less, further 150 nm or less, and further 130 nm or less, the translucency tends to be high. Further, when the average crystallite diameter is 100 nm or less, further 60 nm or less, further 50 nm or less, further 35 nm or less, and further 25 nm or less, light scattering is further suppressed. As a result, the translucency of the sintered body of the present invention becomes higher.
平均結晶子径は小さいことが好ましいが、本発明の焼結体においては、通常2nm以上、更には5nm以上、また更には10nm以上、また更には15nm以上であることが挙げられる。 The average crystallite diameter is preferably small, but in the sintered body of the present invention, it is usually 2 nm or more, further 5 nm or more, further 10 nm or more, and further 15 nm or more.
本発明の焼結体の平均結晶子径が255nm以下であることは、本発明の焼結体のXRDパターンにおいてFWHMが0.1536°以上であることをもって、確認することができる。そのため、本発明の焼結体はFWHMが0.1536°以上あることが好ましい。FWHMが大きくなるほど、平均結晶子径が小さくなる。例えば、FWHMは、平均結晶子径が250nm以下の場合は0.154°以上、150nm以下の場合は0.178°以上、130nm以下の場合は0.187°以上、及び、100nm以下の場合は0.25℃以上となる。FWHMは0.3°以上、更には0.4°以上であることが好ましい。一方、結晶性が高くなるほどXRDピークのFWHMは小さくなるが、通常のXRD測定において測定できるFWHMは40°程度までである。本発明の焼結体のメインピークのFWHMとして1°以下、更には0.7°以下であることが挙げられる。 The fact that the average crystallite diameter of the sintered body of the present invention is 255 nm or less can be confirmed by the fact that the FWHM is 0.1536 ° or more in the XRD pattern of the sintered body of the present invention. Therefore, the sintered body of the present invention preferably has a FWHM of 0.1536 ° or more. The larger the FWHM, the smaller the average crystallite diameter. For example, FWHM is 0.154 ° or more when the average crystallite diameter is 250 nm or less, 0.178 ° or more when the average crystallite diameter is 150 nm or less, 0.187 ° or more when the average crystallite diameter is 130 nm or less, and 100 nm or less. It becomes 0.25 ° C. or higher. The FWHM is preferably 0.3 ° or more, more preferably 0.4 ° or more. On the other hand, the higher the crystallinity, the smaller the FWHM of the XRD peak, but the FWHM that can be measured in a normal XRD measurement is up to about 40 °. The FWHM of the main peak of the sintered body of the present invention is 1 ° or less, more preferably 0.7 ° or less.
なお、本発明の結晶粒子中に含まれる、立方晶及び正方晶それぞれの結晶子径は、本発明の焼結体のXRDパターンのリートベルト解析により求めることができる。すなわち、リートベルト法により、本発明の焼結体のXRDパターンを、立方晶に起因するXRDピーク及び正方晶に起因するXRDピークに分離する。分離後の各結晶構造のXRDピークの半値幅を求め、得られた半値幅から以下のシェラー式によって結晶子径を求めればよい。 The crystallite diameters of cubic crystals and tetragonal crystals contained in the crystal particles of the present invention can be determined by Rietveld analysis of the XRD pattern of the sintered body of the present invention. That is, the Rietveld method separates the XRD pattern of the sintered body of the present invention into an XRD peak caused by cubic crystals and an XRD peak caused by tetragonal crystals. The half-value width of the XRD peak of each crystal structure after separation may be obtained, and the crystallite diameter may be obtained from the obtained half-value width by the following Scherrer equation.
D=K×λ/((β−B)×cosθ)
上記式において、Dは各結晶の結晶子径(nm)、Kはシェラー定数(1.0)、λはCuKαの波長(0.15418nm)、βは半値幅(°)、Bは装置定数(0.1177°)、及び、θはXRDピークの回折角(°)である。半値幅を求める際のXRDピークは、正方晶が2θ=30.0±2°のXRDピーク、及び、立方晶が2θ=29.6±2°のXRDピークである。
D = K × λ / ((β−B) × cosθ)
In the above formula, D is the crystallite diameter (nm) of each crystal, K is the Scheller constant (1.0), λ is the wavelength of CuKα (0.15418 nm), β is the half width (°), and B is the device constant (approximate constant). 0.1177 °) and θ are the diffraction angles (°) of the XRD peak. The XRD peaks used to determine the full width at half maximum are the XRD peak with 2θ = 30.0 ± 2 ° for tetragonal crystals and the XRD peak with 2θ = 29.6 ± 2 ° for cubic crystals.
本発明の焼結体の平均結晶粒子径は20μm以上、150μm以下、更には20μm以上、100μm以下であることが挙げられる。平均結晶粒子径がこの範囲であることで透光性が高い焼結体となる。本発明において、平均結晶粒子径はプラニメトリック法により測定することができる。 The average crystal particle size of the sintered body of the present invention is 20 μm or more and 150 μm or less, and further 20 μm or more and 100 μm or less. When the average crystal particle size is in this range, the sintered body has high translucency. In the present invention, the average crystal particle size can be measured by the planimetric method.
本発明の焼結体は密度が高いことが好ましい。安定化剤及びランタンの量により、密度は異なる。本発明の焼結体の密度は6.0g/cm3以上6.2g/cm3以下、更には6.0g/cm3以上6.12g/cm3以下を例示することができる。 The sintered body of the present invention preferably has a high density. The density varies depending on the amount of stabilizer and lanthanum. The density of the sintered body of the present invention is 6.0 g / cm 3 or more 6.2 g / cm 3 or less, more can be exemplified 6.0 g / cm 3 or more 6.12 g / cm 3 or less.
本発明の焼結体は高い透光性を有する。そのため、本発明の焼結体は、試料厚さ1mm及び測定波長300〜800nmにおける全光線透過率(以下、単に「全光線透過率」ともいう。)の最大値が45%以上である。透光性は高いほど好ましく、全光線透過率の最大値は50%以上、また更には55%以上であることが好ましい。本発明の焼結体は呈色による可視光域の波長を吸収する。そのため、いずれかの測定波長において上記の全光線透過率を有していれば、本発明の焼結体が高い透光性を有することが確認できる。一方、測定波長を固定(例えば、測定波長600nm)して測定される透過率の値や、複数の波長を有する線源(例えば、太陽光やD65光源)で測定される透過率の値は、異なる呈色を有する焼結体の透光性を比較する指標とすることはできない。 The sintered body of the present invention has high translucency. Therefore, in the sintered body of the present invention, the maximum value of the total light transmittance (hereinafter, also simply referred to as “total light transmittance”) at a sample thickness of 1 mm and a measurement wavelength of 300 to 800 nm is 45% or more. The higher the translucency, the more preferable, and the maximum value of the total light transmittance is preferably 50% or more, and further preferably 55% or more. The sintered body of the present invention absorbs wavelengths in the visible light region due to coloration. Therefore, it can be confirmed that the sintered body of the present invention has high translucency if it has the above-mentioned total light transmittance at any of the measurement wavelengths. On the other hand, the value of the transmittance measured with the measurement wavelength fixed (for example, the measurement wavelength of 600 nm) and the value of the transmittance measured with a radiation source having a plurality of wavelengths (for example, sunlight or a D65 light source) are set. It cannot be used as an index for comparing the translucency of sintered bodies having different colors.
本発明の焼結体の透光性は上記の全光線透過率を満たせばよいが、試料厚さ1mm及び測定波長300〜800nmにおける直線透過率(以下、単に「直線透過率」ともいう。)の最大値が1%以上、更には3%以上、また更には10%以上、また更には20%以上、また更には30%以上であることが挙げられる。本発明の焼結体の直線透過率の上限は70%以下、更には66%以下であることが例示できる。 The translucency of the sintered body of the present invention may satisfy the above-mentioned total light transmittance, but the linear transmittance at a sample thickness of 1 mm and a measurement wavelength of 300 to 800 nm (hereinafter, also simply referred to as “linear transmittance”). The maximum value of is 1% or more, further 3% or more, further 10% or more, further 20% or more, and further 30% or more. It can be exemplified that the upper limit of the linear transmittance of the sintered body of the present invention is 70% or less, further 66% or less.
本発明の焼結体は高い強度を有する。本発明の焼結体の曲げ強度として500MPa以上、更には600MPa以上であることが挙げられる。適用できる用途が広がるため、本発明の焼結体の強度は800MPa以上、更には1000MPa以上であることが好ましい。本発明における強度は、ISO/DIS6872に準じて測定される二軸曲げ強度として500MPa以上、1600MPa以下、更には600MPa以上、1500MPa以下であることが挙げられる。また、本発明における強度は、JIS R1601に準じて測定される三点曲げ強度として500MPa以上、1500MPa以下、更には600MPa以上、1200MPa以下であることが挙げられる。 The sintered body of the present invention has high strength. The bending strength of the sintered body of the present invention is 500 MPa or more, and further 600 MPa or more. Since the applicable applications are widened, the strength of the sintered body of the present invention is preferably 800 MPa or more, more preferably 1000 MPa or more. The strength in the present invention is 500 MPa or more and 1600 MPa or less, and further 600 MPa or more and 1500 MPa or less as the biaxial bending strength measured according to ISO / DIS6782. Further, the strength in the present invention is 500 MPa or more and 1500 MPa or less, and further 600 MPa or more and 1200 MPa or less as the three-point bending strength measured according to JIS R1601.
本発明の焼結体は、8mol%イットリア含有ジルコニア焼結体などの立方晶ジルコニアからなる透光性ジルコニア焼結体と同等以上の破壊靱性を有することが好ましい。これにより、本発明の焼結体が、従来の透光性ジルコニア焼結体が使用されている部材として使用することができる。本発明の焼結体の破壊靱性として1.7MP・m0.5以上、更には2MPa・m0.5以上、また更には2.2MPa・m0.5以上であることが挙げられる。 The sintered body of the present invention preferably has fracture toughness equal to or higher than that of a translucent zirconia sintered body made of cubic zirconia such as an 8 mol% yttria-containing zirconia sintered body. Thereby, the sintered body of the present invention can be used as a member in which the conventional translucent zirconia sintered body is used. As fracture toughness of the sintered body of the present invention 1.7MP · m 0.5 or more, still more 2 MPa · m 0.5 or more, also be mentioned that further is 2.2 MPa · m 0.5 or more.
本発明において、破壊靱性はJIS R1607に準じたIF法により測定することができる。 In the present invention, the fracture toughness can be measured by the IF method according to JIS R1607.
次に、本発明のジルコニア焼結体の製造方法について説明する。 Next, a method for producing the zirconia sintered body of the present invention will be described.
本発明のジルコニア焼結体は、ランタン以外のランタノイド原料又は遷移金属原料の少なくともいずれか、ジルコニア原料、安定化剤原料及びランタン原料を混合して混合粉末を得る混合工程、得られた混合粉末を成形して成形体を得る成形工程、得られた成形体を1650℃以上の焼結温度で焼結して焼結体を得る焼結工程、及び、焼結温度から1000℃までを1℃/min超の降温速度で降温する降温工程、を含むことを特徴とする製造方法、により製造することができる。 In the zirconia sintered body of the present invention, at least one of a lanthanoid raw material other than lantern or a transition metal raw material, a zirconia raw material, a stabilizer raw material and a lantern raw material are mixed to obtain a mixed powder, and the obtained mixed powder is used. A molding step of molding to obtain a molded body, a sintering step of sintering the obtained molded body at a sintering temperature of 1650 ° C. or higher to obtain a sintered body, and a sintering temperature of 1 ° C./up to 1000 ° C. It can be manufactured by a manufacturing method, which comprises a temperature lowering step of lowering the temperature at a temperature lowering rate of more than min.
混合工程では、ランタン以外のランタノイド原料又は遷移金属原料の少なくともいずれか(以下、「着色成分原料」ともいう。)、ジルコニア原料、安定化剤原料及びランタン原料を混合して混合粉末を得る。着色成分原料、ジルコニア原料、安定化剤原料及びランタン原料が均一に混合されれば、混合方法は湿式混合又は乾式混合のいずれであってもよい。より均一な混合粉末が得られるため、混合方法は湿式混合であることが好ましく、湿式ボールミル又は湿式攪拌ミルの少なくともいずれかによる湿式混合であることがより好ましい。 In the mixing step, at least one of a lanthanoid raw material other than lanthanum or a transition metal raw material (hereinafter, also referred to as “coloring component raw material”), a zirconia raw material, a stabilizer raw material, and a lanthanum raw material are mixed to obtain a mixed powder. As long as the coloring component raw material, the zirconia raw material, the stabilizer raw material, and the lanthanum raw material are uniformly mixed, the mixing method may be either wet mixing or dry mixing. Since a more uniform mixed powder can be obtained, the mixing method is preferably wet mixing, and more preferably wet mixing by at least one of a wet ball mill and a wet stirring mill.
ジルコニア原料は、ジルコニア又はその前駆体であり、BET比表面積が4〜20m2/gであるジルコニア粉末を挙げることができる。 The zirconia raw material is zirconia or a precursor thereof, and examples thereof include zirconia powder having a BET specific surface area of 4 to 20 m 2 / g.
安定化剤原料は、イットリア、スカンジア、カルシア、及びマグネシアからなる群の少なくとも1種(安定化剤)の粉末又はその前駆体、更にはイットリアの粉末又はその前駆体を挙げることができる。 Examples of the stabilizer raw material include powder of at least one (stabilizer) of the group consisting of yttrium, scandia, calcia, and magnesia (stabilizer) or a precursor thereof, and further, yttrium powder or a precursor thereof.
さらに、ジルコニア原料は安定化剤を含むジルコニア粉末であることが好ましい。このようなジルコニア粉末は、ジルコニア原料及び安定化剤原料となる。ジルコニア粉末が含有する安定化剤は、イットリア、スカンジア、カルシア、及びマグネシアからなる群の少なくとも1種であることが好ましく、イットリアであることがより好ましい。安定化剤含有ジルコニア粉末として、2mol%〜7mol%の安定化剤を含有するジルコニア粉末、更にはBET比表面積が4〜20m2/gであり2mol%〜7mol%の安定化剤を含有するジルコニア粉末であることが好ましい。安定化剤含有ジルコニア粉末が含有する安定化剤量は2mol%〜5mol%、更には2mol%〜4mol%であることが好ましい。
Further, the zirconia raw material is preferably a zirconia powder containing a stabilizer. Such zirconia powder becomes a zirconia raw material and a stabilizer raw material. The stabilizer contained in the zirconia powder is preferably at least one of the group consisting of yttria, scandia, calcia, and magnesia, and more preferably yttria. As the stabilizer-containing zirconia powder, a zirconia powder containing a stabilizer of 2 mol% to 7 mol%, and a zirconia having a BET specific surface area of 4 to 20
ランタン原料は、ランタンを含む化合物を挙げることができ、酸化ランタン、水酸化ランタン、硝酸ランタン、硫酸ランタン、塩化ランタン、炭酸ランタン、及びパイロクロア型La2Zr2O7からなる群の少なくとも1種を挙げることができ、好ましくは酸化ランタン又はLa2Zr2O7の少なくともいずれかである。 Examples of the lanthanum raw material include compounds containing lanthanum, and at least one of the group consisting of lanthanum oxide, lanthanum hydroxide, lanthanum nitrate, lanthanum sulfate, lanthanum chloride, lanthanum carbonate, and pyrochlor type La 2 Zr 2 O 7 is used. It can be mentioned, preferably at least one of lanthanum oxide or La 2 Zr 2 O 7.
着色成分原料は、着色成分の酸化物、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、炭酸塩及びパイロクロア型構造からなる群の少なくとも1種以上であればよく、好ましくは着色成分の不溶性の塩であることが好ましく、酸化物又は炭酸塩の少なくともいずれかであることがより好ましい。着色成分は任意の量であればよいが、混合粉末の重量に対する着色成分原料の重量割合として、例えば、0.01wt%以上5wt%以下、更には0.05wt%以上3wt%以下であることが挙げられる。 The coloring component raw material may be at least one of the group consisting of oxides, nitrates, sulfates, chlorides, carbonates and pyrochloroa-type structures of the coloring component, and is preferably an insoluble salt of the coloring component. It is preferably at least one of oxides and carbonates. The amount of the coloring component may be any amount, but the weight ratio of the coloring component raw material to the weight of the mixed powder may be, for example, 0.01 wt% or more and 5 wt% or less, and further 0.05 wt% or more and 3 wt% or less. Can be mentioned.
混合粉末は、アルミナ原料を含んでいてもよい。アルミナ原料はアルミニウムを含む化合物を挙げることができ、アルミナ、水酸化アルミニウム、炭酸アルミニウム及びスピネルからなる群の少なくとも1種、更にはアルミナを挙げることができる。好ましいアルミナとしてα型アルミナ又はγ型アルミナの少なくともいずれか、更にはα型アルミナが挙げられる。 The mixed powder may contain an alumina raw material. Examples of the alumina raw material include compounds containing aluminum, and examples thereof include at least one of the group consisting of alumina, aluminum hydroxide, aluminum carbonate and spinel, and further examples of alumina. Preferred alumina includes at least one of α-type alumina and γ-type alumina, and further includes α-type alumina.
混合粉末の組成は所望の割合であればよい。 The composition of the mixed powder may be any desired ratio.
成形工程では、混合粉末を成形して成形体を得る。所望の形状の成形体が得られれば成形方法は任意である。成形方法として、プレス成形、射出成形、シート成形、押出成形、及び鋳込み成形からなる群の少なくとも1種を挙げることができ、プレス成形又は射出成型の少なくともいずれかであることが好ましい。 In the molding step, the mixed powder is molded to obtain a molded product. The molding method is arbitrary as long as a molded product having a desired shape can be obtained. As the molding method, at least one of a group consisting of press molding, injection molding, sheet molding, extrusion molding, and casting molding can be mentioned, and at least one of press molding or injection molding is preferable.
また、得られる成形体の形状は任意であるが、例えば、円板状、円柱状、及び多面体状などの形状や、歯列矯正ブラケットや半導体製造治具、その他の複雑形状を例示することができる。 Further, the shape of the obtained molded product is arbitrary, and examples thereof include shapes such as a disc shape, a columnar shape, and a polyhedral shape, an orthodontic bracket, a semiconductor manufacturing jig, and other complicated shapes. can.
焼結工程においては、成形体を焼結することにより、結晶構造が立方晶等の高温型の結晶構造である焼結体を得る。そのため、焼結工程において、得られた成形体を1650℃以上の焼結温度で焼結する。1650℃以上で焼結することで、焼結体の結晶構造が高温型の結晶構造になると考えられる。高温型の結晶構造を有する焼結体が降温工程を経ることにより、結晶粒子中の結晶構造が立方晶ドメインと正方晶ドメインとが生成し、本発明の焼結体の結晶構造を含む焼結体を得ることができる。焼結温度は1700℃以上であることが好ましく、更には1725℃以上、また更には1750℃以上であることが好ましい。汎用の焼成炉を使用する場合、焼結温度は2000℃以下、更には1900℃以下、また更には1800℃以下であることが挙げられる。 In the sintering step, by sintering the molded product, a sintered body having a high-temperature crystal structure such as cubic crystal is obtained. Therefore, in the sintering step, the obtained molded product is sintered at a sintering temperature of 1650 ° C. or higher. It is considered that the crystal structure of the sintered body becomes a high temperature type crystal structure by sintering at 1650 ° C. or higher. When a sintered body having a high-temperature type crystal structure undergoes a temperature lowering step, a cubic domain and a rectangular domain are generated as a crystal structure in the crystal particles, and the sintered body including the crystal structure of the sintered body of the present invention is sintered. You can get a body. The sintering temperature is preferably 1700 ° C. or higher, more preferably 1725 ° C. or higher, and further preferably 1750 ° C. or higher. When a general-purpose firing furnace is used, the sintering temperature is 2000 ° C. or lower, further 1900 ° C. or lower, and further 1800 ° C. or lower.
上記の焼結温度で焼結すれば、焼結方法は任意である。焼結方法として、例えば、常圧焼結、加圧焼結及び真空焼結からなる群の少なくともいずれかを挙げることができ、常圧焼結及び加圧焼結であることが好ましい。 The sintering method is arbitrary as long as it is sintered at the above sintering temperature. As the sintering method, for example, at least one of the group consisting of normal pressure sintering, pressure sintering and vacuum sintering can be mentioned, and normal pressure sintering and pressure sintering are preferable.
本発明の製造方法における、好ましい焼結工程として、成形体を1000℃以上1650℃未満で焼成して一次焼結体を得る一次焼結及び該一次焼結体を1650℃以上で焼結する二次焼結を含む焼結工程(以下、「二段焼結法」ともいう。)を挙げることができる。 As a preferable sintering step in the production method of the present invention, a primary sintering in which a molded body is fired at 1000 ° C. or higher and lower than 1650 ° C. to obtain a primary sintered body and a primary sintering body in which the primary sintered body is sintered at 1650 ° C. or higher are used. A sintering step including subsintering (hereinafter, also referred to as “two-stage sintering method”) can be mentioned.
二段焼結法は、成形体を一次焼結することにより一次焼結体とし、当該一次焼結体を二次焼結する。一次焼結は、成形体を1000℃以上1650℃未満で焼結することが好ましい。一次焼結の雰囲気は酸化雰囲気又は還元雰囲気の少なくともいずれかであることが好ましく、大気雰囲気であることが好ましい。好ましい一次焼結として、大気中1000℃以上1650℃未満、更には1400℃以上1520℃以下、また更には1425℃以上1500℃以下の常圧焼結を挙げることができる。これにより、得られる一次焼結体の組織が微細となる。これに加え、一次焼結体の結晶粒子内に気孔が生成しにくくなる。 In the two-stage sintering method, the molded body is first-sintered to obtain a primary-sintered body, and the primary-sintered body is secondarily sintered. For the primary sintering, it is preferable to sinter the molded product at 1000 ° C. or higher and lower than 1650 ° C. The atmosphere of the primary sintering is preferably at least one of an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere, and is preferably an atmospheric atmosphere. Preferred primary sinterings include atmospheric pressure sinterings of 1000 ° C. or higher and lower than 1650 ° C., further 1400 ° C. or higher and 1520 ° C. or lower, and further 1425 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. As a result, the structure of the obtained primary sintered body becomes fine. In addition to this, it becomes difficult for pores to be formed in the crystal particles of the primary sintered body.
二次焼結は、一次焼結体を1650℃以上、更には1700℃以上、また更には1725℃以上、また更には1750℃以上で焼結する。高い強度を有する焼結体を得るため、二次焼結温度は2000℃以下、更には1900℃以下、また更には1800℃以下であることが好ましい。二次焼結温度を2000℃以下とすることで、粗大な結晶粒子が生成しにくくなる。特に好ましい二次焼結温度として1675℃以上1775℃以下を上げることができる。 In the secondary sintering, the primary sintered body is sintered at 1650 ° C. or higher, further 1700 ° C. or higher, further 1725 ° C. or higher, and further 1750 ° C. or higher. In order to obtain a sintered body having high strength, the secondary sintering temperature is preferably 2000 ° C. or lower, further 1900 ° C. or lower, and further preferably 1800 ° C. or lower. By setting the secondary sintering temperature to 2000 ° C. or lower, it becomes difficult to generate coarse crystal particles. A particularly preferable secondary sintering temperature can be raised to 1675 ° C. or higher and 1775 ° C. or lower.
より高密度な焼結体を得るために、二次焼成は熱間静水圧プレス(以下、「HIP」と
する。)処理であることが好ましい。
In order to obtain a higher density sintered body, the secondary firing is preferably a hot hydrostatic press (hereinafter referred to as "HIP") treatment.
HIP処理の時間(以下、「HIP時間」とする。)は、少なくとも10分であることが好ましい。HIP時間が少なくとも10分であれば、HIP処理中に、焼結体の気孔が十分に除去される。 The HIP processing time (hereinafter referred to as "HIP time") is preferably at least 10 minutes. If the HIP time is at least 10 minutes, the pores of the sintered body are sufficiently removed during the HIP treatment.
HIP処理の圧力媒体(以下、単に「圧力媒体」ともいう。)は、アルゴンガス、窒素ガス、酸素などが例示できるが、一般的なアルゴンガスが簡便である。 Examples of the HIP-treated pressure medium (hereinafter, also simply referred to as “pressure medium”) include argon gas, nitrogen gas, oxygen, and the like, but general argon gas is convenient.
HIP処理の圧力(以下、「HIP圧力」ともいう。)は、5MPa以上、更には50MPa以上であることが好ましい。HIP圧力が5MPa以上であることで、焼結体中の気孔の除去がより促進される。圧力の上限に関しては特に指定はないが、通常のHIP装置を使用した場合、HIP圧力は200MPa以下である。 The HIP treatment pressure (hereinafter, also referred to as “HIP pressure”) is preferably 5 MPa or more, more preferably 50 MPa or more. When the HIP pressure is 5 MPa or more, the removal of pores in the sintered body is further promoted. The upper limit of the pressure is not particularly specified, but when a normal HIP device is used, the HIP pressure is 200 MPa or less.
HIP処理では、非還元性の材質からなる容器に成形体又は一次焼結体を配置することが好ましい。これにより、発熱体等のHIP装置の材質に由来する還元成分による焼結体の局所的な還元が抑制される。非還元性の材質としては、アルミナ、ジルコニア、ムライト、イットリア、スピネル、マグネシア、窒化ケイ素及び窒化ホウ素からなる群の少なくとも1種、更にはアルミナ又はジルコニアの少なくともいずれかが例示できる。 In the HIP treatment, it is preferable to arrange the molded product or the primary sintered body in a container made of a non-reducing material. As a result, local reduction of the sintered body by the reducing component derived from the material of the HIP device such as a heating element is suppressed. Examples of the non-reducing material include at least one of the group consisting of alumina, zirconia, mullite, yttria, spinel, magnesia, silicon nitride and boron nitride, and at least one of alumina or zirconia.
降温工程では、焼結温度から1000℃までを1℃/min超の降温速度で降温する。降温速度を1℃/min超、更には5℃/min以上、また更には8℃/min以上とすることで、透光性の高い焼結体が得られる。降温速度が1℃/min以下の場合は、析出物や単斜晶が生成するため、得られる焼結体が透光性の低いものとなる。これにより得られる焼結体の透光性が著しく低いものとなる。より高い透光性を有するランタン固溶ジルコニア焼結体を得るため、焼成温度から1000℃への降温は、降温速度を10℃/min以上、更には15℃/min以上、また更に30℃/min以上、また更には50℃/min以上とすることが好ましい。好ましい降温速度として30℃/min以上100℃/min以下、更には50℃/min以上100℃/min以下を挙げることができる。 In the temperature lowering step, the temperature is lowered from the sintering temperature to 1000 ° C. at a temperature lowering rate of more than 1 ° C./min. By setting the temperature lowering rate to more than 1 ° C./min, further to 5 ° C./min or more, and further to 8 ° C./min or more, a sintered body having high translucency can be obtained. When the temperature lowering rate is 1 ° C./min or less, precipitates and monoclinic crystals are formed, so that the obtained sintered body has low translucency. The translucency of the obtained sintered body is remarkably low. In order to obtain a lanthanum solid solution zirconia sintered body having higher translucency, the temperature is lowered from the firing temperature to 1000 ° C. at a temperature lowering rate of 10 ° C./min or more, further 15 ° C./min or more, and further 30 ° C./min. It is preferably min or more, and more preferably 50 ° C./min or more. Preferred temperature lowering rates include 30 ° C./min or more and 100 ° C./min or less, and further 50 ° C./min or more and 100 ° C./min or less.
本発明の製造方法では、降温工程後の焼結体を熱処理するアニール工程を有していてもよい。焼結体をアニール工程に供することで、焼結体の透光性をより高くすることができる。アニール工程は、酸化雰囲気中、900℃以上1200℃以下、更には980℃以上1030℃以下で焼結体を処理することが挙げられる。 The production method of the present invention may include an annealing step of heat-treating the sintered body after the temperature lowering step. By subjecting the sintered body to the annealing step, the translucency of the sintered body can be further increased. Examples of the annealing step include treating the sintered body at 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, and further 980 ° C. or higher and 1030 ° C. or lower in an oxidizing atmosphere.
本発明により、高い透光性及び高い強度を兼備したジルコニア焼結体を提供することができる。本発明の焼結体は、従来の透光性セラミックスと比べ、透光性及び機械的強度が高い。そのため、歯列矯正ブラケットなどの審美性が要求される歯科用部材として使用した場合に、その大きさを小さくすることができる。これにより、より審美性が高い歯科用部材として使用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a zirconia sintered body having both high translucency and high strength. The sintered body of the present invention has higher translucency and mechanical strength than conventional translucent ceramics. Therefore, when used as a dental member such as an orthodontic bracket that requires aesthetics, its size can be reduced. As a result, it can be used as a dental member with higher aesthetics.
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。しかしながら、本発明は実施例に限定されるものではない。
(密度の測定)
焼結体試料の実測密度はアルキメデス法による水中重量を測定することにより求めた。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the examples.
(Measurement of density)
The measured density of the sintered sample was determined by measuring the weight in water by the Archimedes method.
(平均結晶粒径の測定)
焼結体試料を平面研削した後、9μm、6μm及び1μmのダイアモンド砥粒を順に用いて鏡面研磨した。研磨面を1400℃で1時間保持し、熱エッチングした後、SEM観察し、得られたSEM観察図からプラニメトリック法により平均結晶粒径を求めた。
(Measurement of average crystal grain size)
After surface grinding the sintered sample, mirror polishing was performed using 9 μm, 6 μm, and 1 μm diamond abrasive grains in this order. The polished surface was held at 1400 ° C. for 1 hour, heat-etched, and then observed by SEM. From the obtained SEM observation diagram, the average crystal grain size was determined by a planimetric method.
(結晶構造の同定)
焼結体試料のXRD測定によって得られたXRDパターンを同定分析することで、各焼結体試料の結晶構造の同定、及び、不純物層の有無を確認した。XRD測定は、一般的な粉末X線回折装置(装置名:UltimaIII、リガク社製)を用い、鏡面研磨をした焼結体試料について行った。XRD測定の条件は以下のとおりである。
線源 : CuKα線(λ=0.15418nm)
測定モード : ステップスキャン
スキャン条件: 毎秒0.04°
発散スリット: 0.5deg
散乱スリット: 0.5deg
受光スリット: 0.3mm
計測時間 : 1.0秒
測定範囲 : 2θ=20°〜80°
XRDパターンの同定分析には、XRD解析ソフトウェア(商品名:JADE7、MID社製)を用いた。
(Identification of crystal structure)
By identifying and analyzing the XRD pattern obtained by the XRD measurement of the sintered body sample, the crystal structure of each sintered body sample was identified and the presence or absence of the impurity layer was confirmed. The XRD measurement was performed on a mirror-polished sintered body sample using a general powder X-ray diffractometer (device name: UltraIII, manufactured by Rigaku Co., Ltd.). The conditions for XRD measurement are as follows.
Radioactive source: CuKα ray (λ = 0.15418 nm)
Measurement mode: Step scan
Scan conditions: 0.04 ° / s
Divergence slit: 0.5 deg
Scattering slit: 0.5 deg
Light receiving slit: 0.3 mm
Measurement time: 1.0 second
Measurement range: 2θ = 20 ° to 80 °
XRD analysis software (trade name: JADE7, manufactured by MID) was used for the identification analysis of the XRD pattern.
(平均結晶子径の測定)
結晶相の同定と同様な測定方法で得られたXRDパターンの2θ=27°〜30°の範囲について、シェラー式を使用して焼結体試料の平均結晶子径を求めた。
D=K×λ/((β−B)×cosθ)
上記式において、Dは平均結晶子径(nm)、Kはシェラー定数(1.0)、λはCuKαの波長(0.15418nm)、βは半値幅(°)、Bは装置定数(0.1177°)、及びθはメインピークの回折角(°)である。
なお、メインピークは、ジルコニアの立方晶(111)面に相当するピーク、及び、正方晶(111)面に相当するピークが重複するピークを単一ピークとみなした。
また、半値幅は、Rigaku社製Integral Analysis for Windows(Version 6.0)を用いて求めた。
(Measurement of average crystallite diameter)
The average crystallite diameter of the sintered sample was determined using the Scherrer equation for the range of 2θ = 27 ° to 30 ° of the XRD pattern obtained by the same measurement method as the identification of the crystal phase.
D = K × λ / ((β−B) × cosθ)
In the above formula, D is the average crystallite diameter (nm), K is the Scheller constant (1.0), λ is the wavelength of CuKα (0.15418 nm), β is the half width (°), and B is the device constant (0. 1177 °) and θ are the diffraction angles (°) of the main peak.
As for the main peak, the peak corresponding to the cubic (111) plane of zirconia and the peak corresponding to the tetragonal (111) plane were regarded as a single peak.
The full width at half maximum was determined using Industrial Analysis for Windows (Version 6.0) manufactured by Rigaku.
(リートベルト解析)
結晶構造の同定と同様な測定方法で得られたXRDパターンをリートベルト解析することにより、焼結体試料中の立方晶及び正方晶の各結晶構造の割合、結晶子径、及び、格子定数を求めた。リートベルト解析は汎用のプログラム(Rietan−2000)を用いた。
得られた格子定数から、以下の式に基づいて正方晶中のY2O3濃度を求めた。
YO1.5=(1.0223−cf/af)/0.001319
Y2O3=100×YO1.5/(200−YO1.5)
上記式において、YO1.5はイットリア濃度、cf及びafは、それぞれ、リートベルト解析で求めた正方晶蛍石型構造のc軸及びa軸の格子定数である。
(Rietveld analysis)
By Rietveld analysis of the XRD pattern obtained by the same measurement method as the identification of the crystal structure, the ratio of each cubic and tetragonal crystal structure in the sintered sample, the crystallite diameter, and the lattice constant can be determined. I asked. A general-purpose program (Rietan-2000) was used for Rietveld analysis.
From the resulting lattice constant was determined Y 2 O 3 concentration of tetragonal Akirachu based on the following equation.
YO 1.5 = (1.0223-cf / af) /0.001319
Y 2 O 3 = 100 x YO 1.5 / (200-YO 1.5 )
In the above formula, YO 1.5 is the yttria concentration, and cf and af are the lattice constants of the c-axis and a-axis of the tetragonal fluorite-type structure obtained by Rietveld analysis, respectively.
(透過率の測定)
JIS K321−1の方法に準じた方法によって、試料の全光線透過率、拡散透過率、及び直線透過率をUV−VISにより測定した。測定条件は以下のとおりである。
光源 :重水素ランプ、及び、ハロゲンランプ
測定波長 :200〜800nm
測定ステップ :1nm
UV−VIS測定には、一般的なダブルビーム方式の分光光度計(装置名:V−650型、日本分光社製)を使用した。
測定試料には直径16mm、厚さ1.0mmの円板状成形体を用いた。測定に先立ち、測定試料の両面を研磨し、表面粗さRaを0.02μm以下に鏡面研磨した。
(Measurement of transmittance)
The total light transmittance, the diffuse transmittance, and the linear transmittance of the sample were measured by UV-VIS by the method according to the method of JIS K321-1. The measurement conditions are as follows.
Light source: Deuterium lamp and halogen lamp Measurement wavelength: 200 to 800 nm
Measurement step: 1 nm
A general double-beam spectrophotometer (device name: V-650 type, manufactured by JASCO Corporation) was used for UV-VIS measurement.
A disk-shaped molded product having a diameter of 16 mm and a thickness of 1.0 mm was used as the measurement sample. Prior to the measurement, both sides of the measurement sample were polished, and the surface roughness Ra was mirror-polished to 0.02 μm or less.
(明度、色相)
測定試料として試料厚みを1mmに加工し、表面粗さRa=0.02μm以下に両面鏡面研磨したものを用いた。測定はJIS K7105「プラスチックの光学的特性試験方法」の5.3項及び5.4項に準じて、精密型分光光度色彩計(装置名:TC−1500SX、東京電色製)を用いて行った。測定は、裏面に常用標準白色板を置いた測定試料にD65光線を当て、測定試料を透過した光を当該白色板で反射させ、再度測定試料を透過した光を測定して、明度L*、色相a*およびb*を求めた。なお、測定にはD65光線を使用した。
(Brightness, hue)
As a measurement sample, a sample having a sample thickness of 1 mm and having a surface roughness Ra = 0.02 μm or less was mirror-polished on both sides was used. The measurement is performed using a precision spectrophotometric colorimeter (device name: TC-1500SX, manufactured by Tokyo Denshoku) in accordance with Sections 5.3 and 5.4 of JIS K7105 "Plastic Optical Property Test Method". rice field. In the measurement, a D65 ray is applied to a measurement sample having a standard white plate placed on the back surface, the light transmitted through the measurement sample is reflected by the white plate, and the light transmitted through the measurement sample is measured again to obtain a brightness L * , The hues a * and b * were determined. A D65 ray was used for the measurement.
(二軸曲げ強度の測定)
ISO/DIS6872に準じた二軸曲げ強度測定によって、試料の二軸曲げ強度を測定した。測定試料の厚みは1mmとして、両面鏡面研磨した試料について測定した。
(Measurement of biaxial bending strength)
The biaxial bending strength of the sample was measured by the biaxial bending strength measurement according to ISO / DIS6782. The thickness of the measurement sample was set to 1 mm, and the measurement was performed on a sample that had been mirror-polished on both sides.
(破壊靱性の測定)
JIS R1607に準じた方法により、試料の破壊靱性をIF法により測定した。測定試料としては、表面粗さRaを0.02μm以下に鏡面研磨したものを試料に用いた。ひとつの試料に対して測定を5回行い、その平均値を試料の破壊靱性値とした。IF法における測定条件は以下のとおりである。
押し込み加重 :5kgf
焼結体の弾性率 :205GPa
(Measurement of fracture toughness)
The fracture toughness of the sample was measured by the IF method by a method according to JIS R1607. As the measurement sample, a sample having a surface roughness Ra of 0.02 μm or less mirror-polished was used. The measurement was performed 5 times for one sample, and the average value was taken as the fracture toughness value of the sample. The measurement conditions in the IF method are as follows.
Push-in weight: 5 kgf
Elastic modulus of sintered body: 205 GPa
実施例1
3mol%イットリア含有ジルコニア粉末(BET比表面積が7m2/g、商品名:TZ−3YS、東ソー製)、酸化ランタン粉末及び酸化ネオジム(Nd2O3)粉末を以下の割合となるように混合し、混合粉末を得た。
3mol%イットリア含有ジルコニア粉末 :90重量%
酸化ランタン粉末 :9重量%
酸化ネオジム粉末 :1重量%
Example 1
3 mol% yttria-containing zirconia powder (BET specific surface area 7 m 2 / g, trade name: TZ-3YS, manufactured by Toso), lanthanum oxide powder and neodymium oxide (Nd 2 O 3 ) powder are mixed in the following proportions. , A mixed powder was obtained.
Zirconia powder containing 3 mol% yttria: 90% by weight
Lanthanum oxide powder: 9% by weight
Neodymium oxide powder: 1% by weight
混合は、エタノール溶媒中で120時間、直径10mmのジルコニアボールを用いたボールミルにより行った。得られた混合粉末を大気中、80℃で乾燥して原料粉末とした。 Mixing was carried out in an ethanol solvent for 120 hours by a ball mill using zirconia balls having a diameter of 10 mm. The obtained mixed powder was dried in the air at 80 ° C. to obtain a raw material powder.
原料粉末は、成形圧力50MPaの金型プレスによる一軸加圧で成形して予備成形体を得た後、これを200MPaで冷間静水圧プレス(以下、「CIP」とする。)処理することで、直径20mm、及び、厚さ約3mmの円柱状成形体を得た。 The raw material powder is molded by uniaxial pressure with a mold press having a molding pressure of 50 MPa to obtain a preformed body, and then this is subjected to a cold hydrostatic press (hereinafter referred to as "CIP") at 200 MPa. , A columnar molded body having a diameter of 20 mm and a thickness of about 3 mm was obtained.
得られた成形体を、大気中、昇温速度を100℃/h、焼結温度1450℃、及び焼結時間2時間で一次焼結することで一次焼結体を得た。得られた一次焼結体を蓋付きのジルコニア製の容器に配置し、これをHIP処理することでHIP処理体を得た。 The obtained molded product was first sintered in the air at a heating rate of 100 ° C./h, a sintering temperature of 1450 ° C., and a sintering time of 2 hours to obtain a primary sintered body. The obtained primary sintered body was placed in a container made of zirconia with a lid, and this was subjected to HIP treatment to obtain a HIP-treated body.
HIP処理条件は、圧力媒体として99.9%のアルゴンガス雰囲気中、昇温速度600℃/h、HIP温度1750℃、HIP圧力150MPa、及び保持時間1時間とした。 The HIP treatment conditions were a heating rate of 600 ° C./h, a HIP temperature of 1750 ° C., a HIP pressure of 150 MPa, and a holding time of 1 hour in a 99.9% argon gas atmosphere as a pressure medium.
HIP処理後、焼結温度から室温まで降温しHIP処理体を得た。なお、HIP温度から1000℃までの降温速度は83℃/minであった。 After the HIP treatment, the temperature was lowered from the sintering temperature to room temperature to obtain a HIP-treated product. The temperature lowering rate from the HIP temperature to 1000 ° C. was 83 ° C./min.
得られたHIP処理体を大気中、1000℃で1時間熱処理をすることで本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表1、評価結果を表2に示した。 The obtained HIP-treated product was heat-treated in the air at 1000 ° C. for 1 hour to obtain a zirconia sintered body of this example. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 1, and the evaluation results are shown in Table 2.
本実施例の外観を図1に示す。図1より、本実施例のジルコニア焼結体を通して背面の線図が確認でき、本実施例のジルコニア焼結体が透光性及び透明性を有することが確認できる。当該焼結体は明度L*が79.0、色相a*が1.03及びb*が3.14の薄青色の色調を呈し、全光線透過率の最大値が71.4%(測定波長:710nm)及び直線透過率の最大値が53.4%(測定波長:770nm)であり、高い透明性を有する青色透光性ジルコニア焼結体であった。 The appearance of this embodiment is shown in FIG. From FIG. 1, a diagram of the back surface can be confirmed through the zirconia sintered body of this example, and it can be confirmed that the zirconia sintered body of this example has translucency and transparency. The sintered body has a light blue hue with a brightness L * of 79.0, a hue a * of 1.03 and b * of 3.14, and has a maximum total light transmittance of 71.4% (measurement wavelength). : 710 nm) and the maximum value of linear transmittance was 53.4% (measurement wavelength: 770 nm), and it was a blue translucent zirconia sintered body having high transparency.
本実施例のジルコニア焼結体のリートベルト解析結果を図2に示す。図2より、本実施例のジルコニア焼結体は、ランタン酸化物等を含有しないことが確認できる。 The Rietveld analysis results of the zirconia sintered body of this example are shown in FIG. From FIG. 2, it can be confirmed that the zirconia sintered body of this example does not contain lanthanum oxide or the like.
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を62.4重量%及び正方晶を37.6重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が22nm、正方晶が22nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.0であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51801nm、正方晶はaf=0.51065nm及びcf=0.52041nmであった。当該リートベルト解析は、信頼度因子Rwp=26%及びS=1.41であった。平均結晶粒径は132μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 62.4% by weight of cubic crystals and 37.6% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 22 nm for cubic crystals and 22 nm for tetragonal crystals. It was 22 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.0 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51801 nm for cubic crystals, af = 0.51065 nm and cf = 0.52041 nm for tetragonal crystals. The Rietveld analysis showed reliability factors Rwp = 26% and S = 1.41. The average crystal grain size was 132 μm.
結晶相が立方晶蛍石型構造である8mol%イットリア固溶透光性ジルコニア焼結体の格子定数はa=0.51383nmであった。本実施例のジルコニア焼結体の格子定数が立方晶ジルコニア焼結体よりも格子定数が大きいことから、本実施例のジルコニア焼結体はランタン及びネオジムが固溶していることが確認できた。 The lattice constant of the 8 mol% yttria solid solution translucent zirconia sintered body having a cubic fluorite-type crystal phase was a = 0.51383 nm. Since the lattice constant of the zirconia sintered body of this example is larger than that of the cubic zirconia sintered body, it was confirmed that lantern and neodymium were solidly dissolved in the zirconia sintered body of this example. ..
さらに、二軸曲げ強度は880MPaであり、本実施例のジルコニア焼結体は、強度及び透光性を兼備することが確認できた。 Further, the biaxial bending strength was 880 MPa, and it was confirmed that the zirconia sintered body of this example had both strength and translucency.
実施例2
酸化ネオジム粉末の代わりに酸化プラセオジム(Pr6O11)粉末を使用したこと以外は実施例1と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表1、評価結果を表2に示した。
Example 2
The zirconia sintered body of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the placeodymium oxide (Pr 6 O 11 ) powder was used instead of the neodymium oxide powder. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 1, and the evaluation results are shown in Table 2.
該焼結体は明度L*が75.1、色相a*が3.9及びb*が73.8の黄色の色調を呈し、全光線透過率の最大値が73.5%(測定波長:800nm)及び直線透過率の最大値が42.5%(測定波長:800nm)であり、高い透明性を有する黄色透光性ジルコニア焼結体であった。 The sintered body has a yellow hue with a brightness L * of 75.1, a hue a * of 3.9 and a b * of 73.8, and has a maximum total light transmittance of 73.5% (measurement wavelength:: It was a yellow translucent zirconia sintered body having high transparency (800 nm) and a maximum value of linear transmittance of 42.5% (measurement wavelength: 800 nm).
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を60.9重量%及び正方晶を39.1重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が17nm、正方晶が17nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.0であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51628nm、正方晶はaf=0.50999nm及びcf=0.52079nmであった。平均結晶粒径は144μmであった。 According to the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 60.9% by weight of cubic crystals and 39.1% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 17 nm for cubic crystals and 17 nm for tetragonal crystals. It was 17 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.0 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51628 nm for cubic crystals, af = 0.50999 nm and cf = 0.52079 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 144 μm.
実施例3
酸化ネオジム粉末の代わりに酸化エルビウム(Er2O3)粉末を使用したこと以外は実施例1と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表1、評価結果を表2に示した。
Example 3
The zirconia sintered body of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that erbium oxide (Er 2 O 3 ) powder was used instead of neodymium oxide powder. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 1, and the evaluation results are shown in Table 2.
該焼結体は明度L*が83.4、色相a*が5.6及びb*が5.5の薄ピンク色の色調を呈し、全光線透過率の最大値が73.5%(測定波長:800nm)及び直線透過率の最大値が47.4%(測定波長:800nm)であり、高い透明性を有するピンク色透光性ジルコニア焼結体であった。 The sintered body has a light pink color tone with a brightness L * of 83.4, a hue a * of 5.6 and a b * of 5.5, and the maximum value of total light transmittance is 73.5% (measurement). It was a pink translucent zirconia sintered body having a wavelength: 800 nm) and a maximum value of linear transmittance of 47.4% (measurement wavelength: 800 nm) and having high transparency.
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を78.7重量%及び正方晶を21.3重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が82nm、正方晶が28nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.05であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51833nm、正方晶はaf=0.51040nm及びcf=0.52014nmであった。平均結晶粒径は132μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 78.7% by weight of cubic crystals and 21.3% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 82 nm for cubic crystals and 82 nm for tetragonal crystals. It was 28 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.05 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51833 nm for cubic crystals, af = 0.51040 nm and cf = 0.52014 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 132 μm.
実施例4
酸化ネオジム粉末の代わりに酸化セリウム(CeO2)粉末を使用したこと、一次焼結温度を1475℃としたこと、及び、HIP処理後の熱処理を行わなかったこと以外は実施例1と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表1、評価結果を表2に示した。
Example 4
The same method as in Example 1 except that cerium oxide (CeO 2 ) powder was used instead of neodymium oxide powder, the primary sintering temperature was set to 1475 ° C., and no heat treatment was performed after the HIP treatment. The zirconia sintered body of this example was obtained. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 1, and the evaluation results are shown in Table 2.
該焼結体は明度L*が47.9、色相a*が56.9及びb*が78.7の赤色の色調を呈し、なおかつ、全光線透過率の最大値が73.3%(測定波長:800nm)である赤色透光性ジルコニア焼結体であった。 The sintered body has a red color tone of 47.9 for brightness L * , 56.9 for hue a * and 78.7 for b *, and has a maximum total light transmittance of 73.3% (measured). It was a red translucent zirconia sintered body having a wavelength (wavelength: 800 nm).
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を52.4重量%及び正方晶を47.6重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が24nm、正方晶が24nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.0であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51834nm、正方晶はaf=0.51047nm及びcf=0.52014nmであった。平均結晶粒径は39μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 52.4% by weight of cubic crystals and 47.6% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 24 nm for cubic crystals and 47.6% by weight for tetragonal crystals. It was 24 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.0 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51834 nm for cubic crystals, af = 0.51047 nm and cf = 0.52014 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 39 μm.
表1及び2から、いずれの実施例のジルコニア焼結体も全光線透過率が70%を超え、高い透光性を有することがわかる。さらに、これらの焼結体は着色成分を含有しているにも関わらず正方晶及び立方晶の結晶子径が十分に小さい。リートベルト解析より求まる正方晶及び立方晶の結晶子径は、FWHMより求まる平均結晶子径よりも小さくなる傾向があったが、いずれも同程度の大きさであることが確認できた。このように、本発明のジルコニア焼結体は、可視光の波長よりも十分小さい正方晶ドメイン及び立方晶ドメインがからなる結晶粒子を有するため、高い透光性、さらには高い透明性を有すると考えられる。 From Tables 1 and 2, it can be seen that the zirconia sintered bodies of all the examples have a total light transmittance of more than 70% and have high translucency. Further, although these sintered bodies contain a coloring component, the crystallite diameters of tetragonal and cubic crystals are sufficiently small. The crystallite diameters of tetragonal and cubic crystals obtained from Rietveld analysis tended to be smaller than the average crystallite diameter obtained from FWHM, but it was confirmed that both were about the same size. As described above, the zirconia sintered body of the present invention has crystal particles composed of a tetragonal domain and a cubic domain sufficiently smaller than the wavelength of visible light, and therefore has high translucency and high transparency. Conceivable.
実施例5
酸化ネオジム粉末の代わりに酸化鉄(Fe2O3)粉末を使用したこと、混合粉末を以下の組成としたこと以外は実施例1と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表3、評価結果を表4に示した。
3mol%イットリア含有ジルコニア粉末 :90.0重量%
酸化ランタン粉末 :9.95重量%
酸化鉄粉末 :0.05重量%
該焼結体は明度L*が75.4、色相a*が0.4及びb*が20.9の薄青色の色調を呈し、全光線透過率の最大値が70.0%(測定波長:800nm)及び直線透過率の最大値が54.0%(測定波長:800nm)であり、高い透明性を有する青色透光性ジルコニア焼結体であった。
Example 5
The zirconia sintered body of this example was obtained in the same manner as in Example 1 except that iron oxide (Fe 2 O 3 ) powder was used instead of neodymium oxide powder and the mixed powder had the following composition. .. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 3, and the evaluation results are shown in Table 4.
Zirconia powder containing 3 mol% yttria: 90.0% by weight
Lanthanum oxide powder: 9.95% by weight
Iron oxide powder: 0.05% by weight
The sintered body has a light blue hue with a brightness L * of 75.4, a hue a * of 0.4 and a b * of 20.9, and has a maximum total light transmittance of 70.0% (measurement wavelength). : 800 nm) and the maximum value of linear transmittance was 54.0% (measurement wavelength: 800 nm), and it was a blue translucent zirconia sintered body having high transparency.
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を78.5重量%及び正方晶を21.5重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が22nm、正方晶が22nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.0であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51696nm、正方晶はaf=0.51044nm及びcf=0.52009nmであった。平均結晶粒径は93μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 78.5% by weight of cubic crystals and 21.5% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 22 nm for cubic crystals and 22 nm for tetragonal crystals. It was 22 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.0 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51696 nm for cubic crystals, af = 0.51044 nm and cf = 0.52009 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 93 μm.
実施例6
酸化鉄粉末の代わりに酸化マンガン(MnO)粉末を使用したこと以外は実施例5と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表3、評価結果を表4に示した。
Example 6
A zirconia sintered body of this example was obtained in the same manner as in Example 5 except that manganese oxide (MnO) powder was used instead of iron oxide powder. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 3, and the evaluation results are shown in Table 4.
該焼結体は明度L*が33.0、色相a*が23.7及びb*が−12.9の紫色の色調を呈し、全光線透過率の最大値が57.2%(測定波長:800nm)及び直線透過率の最大値が40.5%(測定波長:800nm)であり、高い透明性を有する紫色透光性ジルコニア焼結体であった。 Sintered body lightness L * of 33.0, a hue a * is 23.7 and b * exhibits the color tone of purple -12.9, the maximum value of the total light transmittance of 57.2% (measured wavelength : 800 nm) and the maximum value of linear transmittance was 40.5% (measurement wavelength: 800 nm), and it was a purple translucent zirconia sintered body having high transparency.
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を65.6重量%及び正方晶を34.5重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が19nm、正方晶が19nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.0であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51697nm、正方晶はaf=0.50992nm及びcf=0.52129nmであった。平均結晶粒径は86μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 65.6% by weight of cubic crystals and 34.5% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 19 nm for cubic crystals and 19 nm for tetragonal crystals. It was 19 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.0 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51697 nm for cubic crystals, af = 0.50992 nm and cf = 0.52129 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 86 μm.
実施例7
酸化鉄粉末の代わりに酸化クロム(Cr2O3)粉末を使用したこと以外は実施例5と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表3、評価結果を表4に示した。
Example 7
A zirconia sintered body of this example was obtained in the same manner as in Example 5 except that chromium oxide (Cr 2 O 3 ) powder was used instead of iron oxide powder. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 3, and the evaluation results are shown in Table 4.
該焼結体は明度L*が46.4、色相a*が17.2及びb*が33.2のアンバー色の色調を呈し、全光線透過率の最大値が67.4%(測定波長:800nm)及び直線透過率の最大値が55.9%(測定波長:800nm)であり、高い透明性を有するアンバー色透光性ジルコニア焼結体であった。 The sintered body has an amber color tone with a brightness L * of 46.4, a hue a * of 17.2 and a b * of 33.2, and has a maximum total light transmittance of 67.4% (measurement wavelength). : 800 nm) and the maximum value of linear transmittance was 55.9% (measurement wavelength: 800 nm), and it was an amber color translucent zirconia sintered body having high transparency.
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を55.6重量%及び正方晶を44.4重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が31nm、正方晶が30nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.0であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51878nm、正方晶はaf=0.51046nm及びcf=0.52015nmであった。平均結晶粒径は112μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 55.6% by weight of cubic crystals and 44.4% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 31 nm for cubic crystals and 31 nm for tetragonal crystals. It was 30 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.0 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51878 nm for cubic crystals, af = 0.51046 nm and cf = 0.52015 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 112 μm.
実施例8
酸化鉄粉末の代わりに酸化銅(CuO)粉末を使用したこと以外は実施例5と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表3、評価結果を表4に示した。
Example 8
A zirconia sintered body of this example was obtained in the same manner as in Example 5 except that copper oxide (CuO) powder was used instead of iron oxide powder. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 3, and the evaluation results are shown in Table 4.
該焼結体は明度L*が58.4、色相a*が12.5及びb*が46.7のオレンジ色の色調を呈し、なおかつ、全光線透過率の最大値が54.2%(測定波長:800nm)であるオレンジ色透光性ジルコニア焼結体であった。 The sintered body has an orange color tone of 58.4 lightness L * , 12.5 hue a * and 46.7 b *, and has a maximum total light transmittance of 54.2% (54.2%). It was an orange translucent zirconia sintered body having a measurement wavelength (measurement wavelength: 800 nm).
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を51.6重量%及び正方晶を48.4重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が12nm、正方晶が11nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.09であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51962nm、正方晶はaf=0.51044nm及びcf=0.52014nmであった。平均結晶粒径は92μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 51.6% by weight of cubic crystals and 48.4% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 12 nm for cubic crystals and 48.4% by weight for tetragonal crystals. It was 11 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.09 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51962 nm for cubic crystals, af = 0.51044 nm and cf = 0.52014 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 92 μm.
実施例9
酸化鉄粉末の代わりに酸化銅(CuO)粉末を使用したこと以外は実施例5と同様な方法で本実施例のジルコニア焼結体を得た。本実施例のジルコニア焼結体の物性を表3、評価結果を表4に示した。
Example 9
A zirconia sintered body of this example was obtained in the same manner as in Example 5 except that copper oxide (CuO) powder was used instead of iron oxide powder. The physical characteristics of the zirconia sintered body of this example are shown in Table 3, and the evaluation results are shown in Table 4.
該焼結体は明度L*が62.3、色相a*が1.5及びb*が28.1の青色の色調を呈し、全光線透過率の最大値が62.7%(測定波長:800nm)及び直線透過率の最大値が48.8%(測定波長:800nm)であり、高い透明性を有する青色透光性ジルコニア焼結体であった。 The sintered body has a blue hue with a brightness L * of 62.3, a hue a * of 1.5 and b * of 28.1, and has a maximum total light transmittance of 62.7% (measurement wavelength:: It was a blue translucent zirconia sintered body having high transparency with a maximum value of 48.8% (measurement wavelength: 800 nm) and a linear transmittance (800 nm).
リートベルト解析より、本実施例のジルコニア焼結体の結晶相は立方晶を61.4重量%及び正方晶を48.4重量%含み、なおかつ、結晶子径は立方晶が18nm、正方晶が18nmであり、立方晶の結晶子径に対する正方晶の結晶子径は1.0であった。また、格子定数は立方晶がa=0.51879nm、正方晶はaf=0.51044nm及びcf=0.52014nmであった。平均結晶粒径は98μmであった。 From the Rietbelt analysis, the crystal phase of the zirconia sintered body of this example contains 61.4% by weight of cubic crystals and 48.4% by weight of tetragonal crystals, and the crystallite diameter is 18 nm for cubic crystals and 48.4% by weight for tetragonal crystals. It was 18 nm, and the tetragonal crystallite diameter was 1.0 with respect to the cubic crystallite diameter. The lattice constants were a = 0.51879 nm for cubic crystals, af = 0.51044 nm and cf = 0.52014 nm for tetragonal crystals. The average crystal grain size was 98 μm.
表3及び4から、着色成分として遷移金属を含有するジルコニア焼結体であっても、正方晶ドメイン及び立方晶ドメインからなる結晶粒子を含むジルコニア焼結体が得られることが分かった。いずれの焼結体も50%を超える全光線透過率及び600MPaを超える二軸曲げ強度を有し、なおかつ、無色以外の呈色を示すことが確認できた。 From Tables 3 and 4, it was found that even in the case of a zirconia sintered body containing a transition metal as a coloring component, a zirconia sintered body containing crystal particles composed of a tetragonal domain and a cubic domain can be obtained. It was confirmed that each of the sintered bodies had a total light transmittance of more than 50% and a biaxial bending strength of more than 600 MPa, and exhibited a coloration other than colorless.
比較例1
3mol%イットリア含有ジルコニア粉末(BET比表面積が7m2/g、商品名:TZ−3YS、東ソー製)及び酸化エルビウム(Er2O3)粉末を以下の割合となるように混合し、混合粉末を得た。
3mol%イットリア含有ジルコニア粉末 :99重量%
酸化エルビウム粉末 :1重量%
得られた混合粉末を使用したこと以外は実施例1と同様な方法で本比較例のジルコニア焼結体を得た。
Comparative Example 1
3 mol% yttria-containing zirconia powder (BET specific surface area 7 m 2 / g, trade name: TZ-3YS, manufactured by Toso) and erbium oxide (Er 2 O 3 ) powder are mixed in the following proportions, and the mixed powder is mixed. Obtained.
Zirconia powder containing 3 mol% yttria: 99% by weight
Erbium oxide powder: 1% by weight
A zirconia sintered body of this comparative example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained mixed powder was used.
得られたジルコニア焼結体は、組成がジルコニア96.68mol%、イットリア2.99mol%及び、酸化エルビウムが酸化物換算で0.33mol%(比酸化物換算で0.66mol%)であり、正方晶を主相とする結晶構造を有し、平均結晶子径は276nm及び平均結晶粒径は19.3μmであった。全光線透過率の最大値は43.6%であり透光性が低く、なおかつ、ピンク色に呈色していた。 The obtained zirconia sintered body has a composition of 96.68 mol% of zirconia, 2.99 mol% of yttria, and 0.33 mol% of erbium oxide in terms of oxide (0.66 mol% in terms of specific oxide), which is square. It had a crystal structure with crystals as the main phase, the average crystallite diameter was 276 nm, and the average crystal grain size was 19.3 μm. The maximum value of the total light transmittance was 43.6%, which was low in translucency and was colored pink.
比較例2
3mol%イットリア含有ジルコニア粉末(BET比表面積が7m2/g、商品名:TZ−3YS、東ソー製)及び酸化鉄(Fe2O3)粉末を以下の割合となるように混合し、混合粉末を得た。
3mol%イットリア含有ジルコニア粉末 :99.5重量%
酸化鉄粉末 :0.5重量%
得られた混合粉末を使用したこと以外は実施例1と同様な方法で本比較例のジルコニア焼結体を得た。
Comparative Example 2
3 mol% itria-containing zirconia powder (BET specific surface area 7 m 2 / g, trade name: TZ-3YS, manufactured by Toso) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) powder are mixed in the following proportions, and the mixed powder is mixed. Obtained.
Zirconia powder containing 3 mol% yttria: 99.5% by weight
Iron oxide powder: 0.5% by weight
A zirconia sintered body of this comparative example was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained mixed powder was used.
得られたジルコニア焼結体は、組成がジルコニア96.61mol%、イットリア2.99mol%及び酸化鉄が酸化物換算で0.4mol%(比酸化物換算で0.8mol%)であり、正方晶を主相とする結晶構造を有し、平均結晶子径は284nm及び平均結晶粒径は1.6μmであった。全光線透過率の最大値は39.2%であり透光性が低く、なおかつ、薄い茶色に呈色していた。 The obtained zirconia sintered body has a composition of 96.61 mol% of zirconia, 2.99 mol% of yttria, and 0.4 mol% of iron oxide in terms of oxide (0.8 mol% in terms of specific oxide), and is a square crystal. The crystal structure was mainly composed of, and the average crystallite diameter was 284 nm and the average crystal grain size was 1.6 μm. The maximum value of the total light transmittance was 39.2%, which was low in translucency and was colored light brown.
本発明のジルコニア焼結体は、高い透光性、及び、高い強度を兼備する。そのため、審美性が要求される歯科補綴材、歯科矯正用部材などの歯科用部材に使用することができる。さらに、本発明のジルコニア焼結体は高い意匠性を有するため、時計や宝飾品などの装飾部材として使用することができ、さらには、半導体製造装置用部材の耐プラズマ部材として使用することができる。 The zirconia sintered body of the present invention has both high translucency and high strength. Therefore, it can be used for dental members such as dental prosthetic materials and orthodontic members that require aesthetics. Further, since the zirconia sintered body of the present invention has a high design property, it can be used as a decorative member for watches, jewelry and the like, and further, it can be used as a plasma resistant member for a member for a semiconductor manufacturing apparatus. ..
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