(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ2 Ｏ3 を９６〜９７重量％に対し、助剤成分としてＳｉＯ2 を０．５〜１．０重量％、ＭｇＯを１．５〜２．０重量％と、Ｂ2 Ｏ3 を０．５〜１．０重量％の範囲でそれぞれ含有してなり、焼結体のロックウェル硬度が８９ｋｇ／ｍｍ2 以上であることを特徴とする耐摩耗性アルミナ焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナ含有量が９６〜９７重量％と比較的低純度でありながら優れた耐摩耗性を有するアルミナ焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミナ焼結体は耐熱性、耐食性、絶縁性、機械的強度、ならびに耐摩耗性に優れた材質であることから電子部品材料や産機部品材料、あるいは構造部品材料など各種工業材料として幅広く利用されている。
【０００３】
例えば、産機部品材料として、ブラスト用ノズル、粉砕機用部材、抄紙機用支持部材、固体輸送経路におけるシュートやダクトなどの内張り材、軸受部材、メカニカルシール、糸道、定盤、治工具などに使用されていた。
【０００４】
そして、これらの用途に使用されるアルミナ焼結体は、主成分のアルミナに対し、助剤成分としてＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2 のうち１種以上を添加したものや、さらには耐摩耗性を高めるために、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、あるいは希土類からなる酸化物を適宜選択して添加したものも提案されている。
【０００５】
例えば、特開昭５６−１７９８０号公報には、助剤成分としてＹ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＮｉＯを含有し、ホットプレスにより焼成した耐摩耗性を有するアルミナ焼結体が開示されている。
【０００６】
また、特公平４−１３３１３号公報には、ＴｉＯ2 、ＣｕＯ、Ｆｅ2 Ｏ3 、ＭｎＯ2 、ＺｒＯ2 、ＳｉＯ2 等の助剤成分を５種類以上含有させた耐摩耗性を有するアルミナ焼結体が開示されている。
【０００７】
さらに、特公昭６２−６０３７号公報には、抄紙機用支持部材として助剤成分にＭｇＯ、Ｂ2 Ｏ3 を用いたアルミナ純度９８〜９９．５％の高純度アルミナ焼結体が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする問題点】
ところが、特開昭５６−１７９８０号公報に開示されているアルミナ焼結体は、助剤成分に高価なＹ2 Ｏ3 を添加する必要があり、原料費が高くついてしまうといった問題点や、焼成工程ではホットプレスを用いなければならないことから特殊な焼成装置が必要となるなどの問題点があった。
【０００９】
また、特公平４−１３３１３号公報に開示されているアルミナ焼結体は、５種類以上もの助剤成分を添加しなければならず、原料費が高くつくとともに、これらの助剤成分を均一に調合することが難しく、調合作業が大変であった。  さらに、特公昭６２−６０３７号公報に開示されている高純度アルミナ焼結体は、主原料に高純度のアルミナ粉末が必要となるために非常に高価なものになってしまうばかりか、アルミナ純度が高いことから完全に焼結させるためには１６００℃以上の温度で焼成しなければならず、その結果、アルミナ粒子の成長が促進され、満足のいく耐摩耗性を得ることは難しいものであった。しかも、焼成温度が高くなると、炉壁材やサヤ等の高温による耐久性の低下や消費電力が大きくなるなどの問題点もあった。
【００１０】
そこで、本件出願人は、これらの問題点を解消するために、Ａｌ2 Ｏ3 ９０〜９５重量％に対し、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、Ｂ2 Ｏ3 の３種類の助剤成分をある範囲内で添加することにより、安価で大気雰囲気中での低温焼成が可能で、かつ耐摩耗性に優れたアルミナ焼結体が得られることを先に提案した（特開平７−２３７９６１号公報）。
【００１１】
しかしながら、ブラスト用ノズルや粉砕機用部材、あるいは固体輸送経路に使用される内張り材など過酷な条件下で使用される用途では、本件出願人が先に提案したアルミナ焼結体でも充分な耐摩耗性を得ることができなかった。
【００１２】
【発明の目的】
本発明の目的は、前述したような過酷な条件下でも優れた耐摩耗性を有するとともに、安価でかつ大気雰囲気中での低温焼成が可能なアルミナ焼結体を提供することにある。
【００１３】
【問題点を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、Ａｌ2 Ｏ3 ９６〜９７重量％に対し、助剤成分としてＳｉＯ2 を０．５〜１．０重量％、ＭｇＯを１．５〜２．０重量％と、Ｂ2 Ｏ3 を０．５〜１．０重量％の範囲でそれぞれ含有させ、ロックウェル硬度が８９ｋｇ／ｍｍ2 以上である耐摩耗性アルミナ焼結体を構成したものである。
【００１４】
即ち、本発明のアルミナ焼結体は、硬度がロックウェル硬度で８９ｋｇ／ｍｍ2 以上を有するとともに、アルミナ含有量が９６〜９７重量％の範囲にあり、かつ助剤成分として主にＳｉＯ2 、ＭｇＯ、Ｂ2 Ｏ3 の３種類を用いることを特徴とする。
【００１５】
アルミナ焼結体の硬度をロックウェル硬度で８９ｋｇ／ｍｍ2 としたのは、硬度がこれより小さくなると充分な耐摩耗性を得ることができず、ブラスト用ノズルや粉砕機用部材などの過酷な条件下で使用される産機部品材料としては使用に耐えないからである。
【００１６】
また、アルミナの含有量を９６〜９７重量％とするのは、９７重量％より多くなると、アルミナ純度が高くなりすぎて焼成温度を下げることができないため、後述する易焼結性のアルミナ粉体を用いたとしてもアルミナ粒子の成長を抑えきれず、耐摩耗性を高めることができないからであり、逆に、９６重量％未満となると、助剤成分の含有量が多くなるために耐摩耗性を高めることができないからである。  さらに、上記アルミナに対して含有させる助剤成分は、ＳｉＯ2 を０．５〜１．０重量％、ＭｇＯを１．５〜２．０重量％と、Ｂ2 Ｏ3 を０．５〜１．０重量％の範囲でそれぞれ含有することが重要である。
【００１７】
これらの助剤成分のうち、ＳｉＯ2 とＭｇＯは焼結体中におけるアルミナ粒子同士の結合力を高める効果を有するとともに、ＭｇＯにおいてはアルミナ粒子の成長を抑制する効果を有するものであり、このＭｇＯの含有量が１．５重量％未満では、アルミナの粒径が大きくなり、アルミナ焼結体の硬度を高めることができず、２．０重量％より多くなると、他の助剤成分が多くなり、特にＳｉＯ2 量が多くなるとアルミナ焼結体の硬度及び耐摩耗性を高めることができない。
【００１８】
また、ＳｉＯ2 の含有量が０．５重量％未満では、焼結性が悪くなるために緻密化することができず、１．０重量％より多くなると、硬度の低いＳｉＯ2 が多くなりすぎるためにアルミナ焼結体の耐摩耗性が低下する。
【００１９】
さらに、Ｂ2 Ｏ3 は本焼成時における焼成温度を下げ、アルミナ粒子の成長を抑制するために含有するもので、この含有量が０．５重量％未満では、焼成温度を下げる効果が小さいために、アルミナ粒径が大きくなり、アルミナ焼結体の硬度を高めることができず、逆に、１．０重量％より多くなると、ホウ酸ガラスの生成量が多くなるためにアルミナ焼結体の硬度が低下する。
【００２０】
また、アルミナ焼結体の耐摩耗性を高めるためには、焼結体中のアルミナ粒径も重要な要素である。即ち、アルミナの平均結晶粒子径が４μｍより大きくなるとアルミナ焼結体の硬度を高めることができず、また、１μｍ未満とすることは製作上難しい。
【００２１】
従って、焼結体中のアルミナの平均結晶粒子径は１〜４μｍとすることが良い。
【００２２】
一方、本発明のアルミナ焼結体を得るには、まず、易焼結性のアルミナ粉体を使用することが必要である。易焼結性のアルミナ粉体とは、アルミナ原料を予め仮焼きして高密度化したアルミナ粉体のことであり、一度焼成してあることから粉体自体の硬度が高く、また、微小径で均一な粒度分布をもったものが得られる。しかも、本焼成時における粒成長を遅くできるとともに、低温での焼成においても高い焼結性を得ることができる。
【００２３】
その為、この易焼結性のアルミナ粉体を用いれば、低い温度で焼成しても緻密質体とすることができ、高硬度をもったアルミナ焼結体を得ることができる。
【００２４】
なお、アルミナ焼結体の耐摩耗性を高めるためには、アルミナの平均結晶粒子径を小さくする必要があり、そのためにもアルミナ粉体は粒径が小さく、かつ均一な粒度分布をもったものが良く、本発明のアルミナ焼結体を得るには平均粒径が１．０μｍ以下でかつ比表面積が５ｍ2 ／ｇ以上のものを用いることが良い。
【００２５】
そして、このアルミナ粉体に対し、助剤成分としてＳｉＯ2 を０．５〜１．０重量％、ＭｇＯを１．５〜２．０重量％、Ｂ2 Ｏ3 を０．５〜１．０重量％の範囲でそれぞれ添加するとともに、有機バインダーを添加してボールミル、アトラクションミル、ピンミル、振動ミル等により混練し、泥漿を製作して押出成形法、射出成形法、鋳込成形法、テープ成形法等のセラミック成形手段により所定の形状に成形するか、あるいは上記泥漿をスプレードライヤーにより造粒して顆粒を製作し、金型プレス、ラバープレス等のセラミック成形法により所定の形状に成形する。そして、得られた成形体を大気雰囲気中にて１４００〜１６００℃の温度にて本焼成することにより、本発明のアルミナ焼結体を得ることができる。
【００２６】
かくして本発明のアルミナ焼結体を用いれば、極めて高い耐摩耗性を有することから、軸受部材、メカニカルシール、ガイド軸、糸道、ワイヤガイド、定盤、治工具、紡糸ノズル、射出成形用ノズル、抄紙機用支持部材、ポンプ、キャプスタン、シュートやダクトなどの内張り材、ブラスト用ノズルなどの耐摩耗性を必要とする様々な用途に用いることができる。また、本発明のアルミナ焼結体は、比較的低純度であり、大気雰囲気中にて低温焼成が可能であることから安価に製造することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のアルミナ焼結体によりブラスト用ノズルを製作した具体例を説明する。
【００２８】
図１に示すブラスト用ノズル１は、先端が先細り状をなし、その先端部に噴射孔３を有する円筒体２からなり、このノズル１の噴射孔３から微小粒子を被加工物体（不図示）に対して噴出させることで、複雑形状品を製作するものである。
【００２９】
このブラスト用ノズル１の製作するには、主原料として純度９９．９％で、平均粒子径０．６μｍ、比表面積７ｍ2 ／ｇの易焼結性のアルミナ粉体に、助剤成分としてＳｉＯ2 を０．５重量％、ＭｇＯを１．７５重量％、Ｂ2 Ｏ3 を０．７５重量％それぞれ添加するとともに、有機バインダーを加えてボールミルにて５０時間均一に混合したあと、スプレードライヤーにて乾燥させることで平均粒径が０．５μｍの顆粒を製作する。そして、この顆粒をゴム型に充填してラバープレス成形によって円筒体を成形し、所定の形状、寸法精度に切削加工を施したあと、１４６０℃の最高温度で約２時間保持して本焼成することにより図１のブラスト用ノズル１が得られる。
【００３０】
また、このブラスト用ノズル１を構成するアルミナ焼結体の組成についてＩＣＰ発光分析装置によって測定したところ、Ａｌ2 Ｏ3 ９７重量％、ＳｉＯ2 ０．５重量％、ＭｇＯ１．７５重量％、Ｂ2 Ｏ3 ０．７５重量％であった。また、ＳＥＭ写真から焼結体中のアルミナ粒子の平均結晶粒子径を測定したところ約２．１μｍであり、さらにアルミナ焼結体のロックウェル硬度をＪＩＳ  Ｂ  ７７２６により測定したところ、９０．３ｋｇ／ｍｍ2 の硬度を有していた。
【００３１】
そこで、このブラスト用ノズル１を用い、粒度＃４００のＳｉＣ粒子を噴出させて被加工物体の溝入れ加工を行う作業を１日３時間行ったところ、５０日間まで使用することができた。なお、従来のアルミナ焼結体からなるブラスト用ノズルでは３０日間程度で寿命となっていた。
【００３２】
（実験例１）
ここで、助剤成分としてＳｉＯ2 、ＭｇＯ、Ｂ2 Ｏ3 を使用し、Ａｌ2 Ｏ3 含有量を変化させたアルミナ焼結体を製作し、乾式状態における耐摩耗試験を行った。
【００３３】
試験条件としては、図２に示すように多数のビーズ１０をブラスト用ノズル１から噴射して試料となる板状のアルミナ焼結体に一定時間衝突させた時の摩耗量を測定するショットブラスト法にて行った。
【００３４】
ビーズ１０には粒度＃４００のＳｉＣ粒子を用い、試料から８０ｍｍ離れた位置よりブラスト用ノズル１でもって上記ビーズ１０を５ｋｇ／ｍｍ2 の噴出圧にて噴射させ、１分後及び４分後の摩耗量をそれぞれ測定した。
【００３５】
ただし、ここで摩耗量とは単位面積当たりの摩耗量のことであり、その算出方法は数１に示す通りである。
【００３６】
数１  単位面積当たりの摩耗量＝（減少重量〔ｇ〕／噴射面積〔ｃｍ2 〕）
ただし、噴射面積は１５ｃｍ2 とした。
【００３７】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００３８】
【表１】
0003722606.tif 000002
【００３９】
この結果、試料Ｃ〜Ｅに見られるように、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が９６〜９７重量％の範囲にあれば、他の試料と比べて耐摩耗性を高められることが判る。
【００４０】
なお、試料Ｇ〜ＪのＡｌ2 Ｏ3 含有量が９９重量％以上では、アルミナ含有量が多すぎるために１６００℃未満の温度では焼結させることができず、１７００℃の温度で焼成したものでは緻密化することが難しいために、他の試料と比較して最も大きく摩耗した。
【００４１】
また、試料Ａ，Ｂは、硬度が８９ｋｇ／ｃｍ2 以上であったものの、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が９５重量％以下と少なく、また、摩耗し易いＳｉＯ2 の含有量が多いために試料Ｃ〜Ｅと比較して摩耗が大きかった。
【００４２】
これらの結果より、Ａｌ2 Ｏ3 含有量は９６〜９７重量％とすれば良いことが判る。
【００４３】
（実施例２）
次に、Ａｌ2 Ｏ3 含有量を９６〜９７重量％とし、助剤成分であるＳｉＯ2 、ＭｇＯ、Ｂ2 Ｏ3 の含有量をそれぞれ異ならせたアルミナ焼結体を試作し、実験例１と同様の条件にて乾式状態における耐摩耗試験を行った。なお、摩耗量は１分おきに測定し、４分間行った。
【００４４】
結果は表２及び表３にそれぞれ示す通りである。
【００４５】
【表２】
0003722606.tif 000003
【００４６】
【表３】
0003722606.tif 000004
【００４７】
この結果、ＳｉＯ2 が０．５〜１．０重量％、ＭｇＯが１．５〜２．０重量％、Ｂ2 Ｏ3 が０．５〜１．０重量％の範囲にあり、硬度が８９ｋｇ／ｃｍ2 以上であれば、耐摩耗性を大幅に高められることが判る。
【００４８】
また、表３の試料Ｎｏ．１４及び２０に見られるように、アルミナ焼結体の組成が上記範囲にあっても焼結体中のアルミナ粒子の平均結晶粒子径が４μｍより大きいと硬度が低下し、耐摩耗性を高められないことが判る。
【００４９】
よって、これらの結果より焼結体中のアルミナ粒子の平均結晶粒子径は１〜４μｍの範囲にあるものが良いことも判る。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、Ａｌ2 Ｏ3 ９６〜９７重量％に対し、助剤成分としてＳｉＯ2 を０．５〜１．０重量％、ＭｇＯを１．５〜２．０重量％、Ｂ2 Ｏ3 を０．５〜１．０重量％の範囲でそれぞれ含有させ、ロックウェル硬度が８９ｋｇ／ｍｍ2 以上である耐摩耗性アルミナ焼結体を構成したことから、比較的低純度のアルミナ焼結体にもかかわらず、高硬度を有し耐摩耗性に優れたアルミナ焼結体とすることができるため、電子部品材料や構造部品材料は勿論のこと、ブラスト用ノズルや粉砕機用部材、あるいは固体輸送経路に使用される内張り材など過酷な条件下で使用される産機部品材料としても好適に用いることができる。しかも、本発明のアルミナ焼結体は、比較的低純度であり、大気雰囲気中にて低温焼成が可能であることから安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミナ焼結体により製作したブラスト用ノズルを示す斜視図である。
【図２】耐摩耗試験の状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・・ブラスト用ノズル  ２・・・円筒体  ３・・・噴出孔
【図１】
0003722606.tif 000005
【図２】
0003722606.tif 000006