氏名　伊藤　尚
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博乙第120号
学位授与の日付　平成10年9月16日
学位論文の題目　ジルコニア含有ムライトセラミックスの急速凝固処理に関する研究
論文審査委員
　主査　教授　武藤　睦治
　副査　教授　小松　高行
　副査　助教授　岡崎　正和
　副査　助教授　内田　希

• 論文目次
• 論文要旨

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第1革緒
1.1 本研究の目的と意義　p.1
1.2 従来の研究　p.2
1.3 ジルコニア含有ムライトセラミックスの急速凝固処理　p.3
1.3.1 ジルコニア含有ムライトセラミックス　p.3
1.3.2 急速凝固処理　p.4
1.4 本論文の構成　p.5

第2章 プラズマ遠心アトマイズ法による非晶質化　p.6
2.1 緒言　p.6
2.2 実験方法　p.6
2.2.1 実験材料　p.6
2.2.2 実験手順　p.8
2.2.3 実験装置　p.9
2.3 結果
2.3.1 プラズマ遠心アトマイズ条件と非晶質化の関係　p.11
2.3.2 ジルコニア含有量と非晶質化の関係　p.13
2.4 考察　p.14
2.4.1 噴霧液滴の粒径および速度の推定　p.14
2.4.2 非晶質化におよぼすプラズマ遠心アトマイズ条件の影響　p.15
2.4.3 非晶質化におよぼすジルコニア含有量の影響
2.5 結言　p.18
第3章 急速凝固粉末およびその焼結体の機械的特性　p.19
3.1 緒言　p.19
3.2 実験方法　p.19
3.3 結果　p.21
3.3.1 急速凝固粉末の熱的特性　p.21
3.3.2 急速凝固粉末の焼結特性　p.22
3.3.3 急速凝固粉末焼結体の機械的特性　p.23
3.4 考察　p.24
3.5 結言　p.29

第4章 急速凝固粉末の焼結体強度におよぼすジルコニア含有量の影響　p.30
4.1 緒言　p.30
4.2 実験方法　p.30
4.3 結果　p.31
4.3.1 ジルコニア含有ムライトの組織と室温抗折力　p.31
4.3.2 室温抗折力におよぼすジルコニア含有量の影響　p.33
4.3.3 高温抗折力におよぼすジルコニア含有量の影響　p.33
4.4 考察　p.35
4.5 結言　p.38
第5章 魚遠凝固粉末を用いた焼結体の高温変形特性　p.39
5.1 緒言　p.39
5.2 実験方法　p.39
5.2.1 実験材料　p.39
5.2.2 実験手順　p.40
5.2.3 曲げ試験による変形挙動の評価　p.40
5.3 結果　p.41
5.3.1 組織観察　p.41
5.3.2 高温強度　p.42
5.3.3 塑性変形挙動　p.42
5.4 考察　p.43
5.4.1 高温強度におよぼす組織の影響　p.43
5.4.2 高温変形におよぼす組織の影響　p.45
5.4.3 高温変形の活性化エネルギー　p.47
5.5 結言　p.47

第6章 急速凝固粉末を用いた焼結体の大規模塑性変形　p.48
6.1 緒言　p.48
6.2 実験方法　p.48
6.3 結果　p.51
6.3.1 組織観察　p.51
6.3.2 高温曲げ試験　p.52
6.3.3 高温引張り試験　p.54
6.4 考察　p.57
6.5 結言　p.60

第7章 結論　p.61
謝辞　p.64
参考文献　p.65
本論文に関する公表論文　p.70

　本論文は緒論と結論を含め，7章から構成されており，各章を総括した結論は以下のとおりである．
　第1章は緒論であり，本研究の目的と意義および従来行われてきた研究の概要を述べた．
　第2章では，プラズマ遠心アトマイズ（PCA）装置について述べるとともに，この装置を用いた急速凝固（RS）処理によるジルコニア含有ムライトセラミックス非晶質粉末の製造条件について調査した．その結果，ArおよびH2流量: 6.3 x 10-4および1.02 x 10-4m3/s，試料の回転速度: 83 /s，プラズマトーチの下降速度: 0.4 mm/s の条件下で最も効率よく、非晶質粉末を製造する一ことが可能であることがわかった．また，冷却速度の差に起因して，大きな粒径のフレーク状粉末には回折ピークが認められず非晶質になっているのに対して，粒径の小さな球状のものでは一部結晶化している傾向のあることがわかった．さらに，含有するZrO2量を変化させた場合，ムライトージルコニア擬2元系における共晶組成から離れるに従い，RS粉末は完全な非晶質ではなくなることがわかった．
　第3章では，20mass% ジルコニア含有ムライトのRS粉末を，ホットプレスにより1623～1823Kの間で焼結させた場合（RS材）の機械的特性や微構造について調べ，通常の結晶粉末からの焼結の場合{非RS材）と比較した、RS材の密度や3点曲げによる抗折カおよびビッカース硬度は，いずれも焼結温度の上昇とともに増大し，1723 Kで緩やかなピークを示した後，さらに温度を上げると低下した．このとき，RS材の抗折力の最大値は550MPa程度で，非RS材に比尖て80MPa程度高く，同様にRS材のビッカース硬度の最大値は1300Hv程度であり，非RS材に比べて150Hv程度高いことがわかった．これらの原因はRS材の組織の微細化によるものと思われる．一方、このように組織微細化により，かなりの強度改善がなされたにもかかわらず，破壊靭性値はRS材も非RS材もほとんど変わらなかった．ナノ構造による強靭化も作用しているものと考えられる．
　第4章では，RS材の強度におよぼすジルコニア含有量の影響について調べた．その結果，RS材の組織は、含有するジルコニア量にかかわらず，通常粉末を焼結して得られる非RS材の組織よりはるかに小さく、RS材の室温における3点曲げによる抗折力は，ジルコニア含有量の増大にともなって上昇し、20，30および40 mass%のときに，約550，650および800MPaの値を示した．これに対して，非RS材の抗折力は，ジルコニア含有量が20または30 mass%ではRS材に少し劣る程度であるが、40mass%では大きく低下した．これは組織中のムライトおよびジルコニア結晶粒径の減少，ならびに正方晶相ジルコニア含有質量の増大の影響であると理解された．
　第5章では，30 mass%ジルコニア含有ムライトセラミックスRS材の、1723Kまでの高温下における抗折力および塑性変形挙動を調べた．あわせて，高純度（HP）および低純度（CP）材の差についても検討した．その結果，RS材の抗折力はムライトの純度にかかわらず，室温から高温の実験温度範囲において，非RS材よりも高い値を示したが，温度が上昇するにつれて低下した．塑性変形時の曲げ荷重はたわみ速度に依存し，RS材も非RS材も1623～1723Kの温度範囲でたわみ速度感受性指数m'値としておよそ0.4を示した．このとき，HP材において，同一たわみ速度では、RS材は非RS材よりも低い変形抵抗を示したが，これは微細組織のためと考えられた．変形に対する見かけの活性化エネルギーは純度に敏感であり，HP材において，RS材で，890kJ/mol，非RS材で780kJ/mol であった．これらはどちらも，CP材よりも高かった．この理由は粒界に存在する不純物濃度の違いによるものと思われる．
　第6章では，純度の異なる3種類のムライト（低純度側から，CP，HK および HP〕から得られる30mass%ジルコニア含有ムライトセラミックスRS材に対して，高温下の変形挙動を3点曲げおよぴ引張り試験を用いて調査し，この材料が超塑性を示す可能性が極めて高いことを示した．すなわち，高温下の曲げ試験においてRS材は非RS材よりも塑性変形能を増し，たわみ速度v = 8.3 x 10 -3 mm s-1のとき，CP-RS材に対して1673Kにおける破断たわみ量 vr > 1 mm，HP-RS材に対して1773Kにおいてvr > 3 mmになる．非RS材はこれらよりも少ない変形量で破断する．また，高温での曲げ荷重はたわみ速度に依存しており，HK材のたわみ速度感受性指数 m'値は，RS処理の有無にかかわらず，v = 10-3mm s-1程度のとき，1773Kにおいて0.5 程度を示し，RS材の変形抵抗は非RS材よりも小さい，同様に，高温での引張り応力はひずみ速度に依存しており、ε = 2.5 x10-4s-1程度のとき，1773KにおいてHK材のひずみ速度感受性指数は，m = 0.5 程度となる．このときRS材の変形抵抗は非RS材よりも小さく，約80%の破断伸びが得られた．
　このようにRS材は微細組織となるため高温下における延性が改善され，超塑性発現の可能性が高いと思われるが，その破断伸びは粒径のみならず，純度に大きく依存する．したがって，これらを含めた微構造の制御が重要と考えられる．
　第7章は，総括であり，本研究で得られた結論を要約した．