(57)【要約】【課題】工業用低ソーダアルミナや普通ソーダアルミナを使った調合組成においても１４００〜１４５０℃の焼成温度で安価なアルミナセラミックの緻密な焼結体を得る。【解決手段】主成分のＡｌ２Ｏ３  ８９〜９２重量％に、焼結助剤成分を８〜１１重量％含有してなり、上記焼結助剤成分としてＭｇＯを０．５〜３重量％を含有するとともに、Ｘ線回折にて２θ＝３６．８度近傍にＭｇＡｌ２Ｏ４のピークを有する耐磨耗性アルミナ焼結体とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分のＡｌ２Ｏ３  ８９〜９２重量％に、焼結助剤成分を８〜１１重量％含有してなり、上記焼結助剤成分としてＭｇＯを０．５〜３重量％含有するとともに、Ｘ線回折にて２θ＝３６．８度近傍にＭｇＡｌ２Ｏ４のピークを有することを特徴とする耐磨耗性アルミナ焼結体。
【請求項２】
上記ＭｇＡｌ２Ｏ４の２θ＝３６．８度近傍における第一ピーク強度ＩｍとＡｌ２Ｏ３の２θ＝３５．２度近傍との第一ピーク強度Ｉａとの比Ｉｍ／Ｉａが、１％以上、２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の耐磨耗性アルミナ焼結体。
【請求項３】
平均結晶粒径５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の耐磨耗性アルミナ焼結体。
【請求項４】
かさ密度３．５８以上であることを特徴とする請求項１または２記載の耐磨耗性アルミナ焼結体。
【請求項５】
請求項１に記載の耐磨耗性アルミナ焼結体の製造方法であって、出発原料としてアルミナ原料１００重量部に対し、焼結助剤成分として蛙目粘土または木節粘土のいずれかを９〜１５重量部混合することを特徴とする耐磨耗性アルミナ焼結体の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載のアルミナ焼結体製造方法であって、出発原料としてアルミナ原料１００重量部と焼結助剤成分１６〜２１重量部との混合粉体をボールミル、振動ミル、ビーズミル等による粉砕機にて、粉砕平均粒径を１．５〜２．５μｍまで水媒体による湿式粉砕混合することを特徴とする耐磨耗性アルミナ焼結体の製造方法。
【請求項７】
上記湿式粉砕混合の後、有機バインダーを添加して噴霧乾燥機等で顆粒をつくり、その加圧成形体を１４００〜１５００℃の大気雰囲気温度で焼成することを特徴とする請求項６に記載の耐磨耗性アルミナ焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度、高耐摩耗性を有するアルミナ焼結体に関するものであり、具体的にはアルミナライナー、サンドブラストノズル、インシュレーター、セラミックケース等の構造部品材料や電子部品材料用途に好適な耐摩耗性アルミナ焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のアルミナセラミックは、主成分のアルミナに、焼結助剤成分として酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化バリウム、更にこれらに、酸化ホウ素、酸化ジルコニウム等を添加して製造されている。またアルミナは工業用の低ソーダアルミナや普通ソーダアルミナが使用されるが、完全に焼結させるには１５００℃以上の高温度で焼成する必要がある。
【０００３】
また上記のアルミナセラミックの焼結不足を補うため、特許文献１に示されるような平均粒子径１μｍ以下の易焼結性アルミナが使用されている。これらの易焼結性アルミナを使用すると１４００〜１５００℃の焼成温度においても完全焼結は可能となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２３７９６１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の組成または工業用低ソーダアルミナや普通ソーダアルミナを使用して得られたアルミナセラミックは焼結かさ密度３．３５〜３．４５と低く、抗折強度２５０〜３５０ＭＰａの値となり、これらのアルミナセラミックを耐摩耗材料として利用すると簡単に磨耗するため、寿命が短かったり摩耗粉のコンタミ混入等の課題があった。
【０００６】
またアルミナセラミックの焼結不足をカバーするため特許文献１に示されるような平均粒子径１μｍ以下の易焼結性アルミナを使用して得られたアルミナセラミックは、１４００〜１５００℃の焼成温度においても完全焼結は可能で、かさ密度３．７０以上、抗折強度４００ＭＰａ以上の値で耐磨耗材料としての特性には問題はないが、易焼結性アルミナは工業用低ソーダアルミナや普通ソーダアルミナに比べて非常に高価格のため製造コストが高くなり大量生産には適さない課題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題に鑑み、本発明の耐磨耗性アルミナ焼結体は、主成分のＡｌ２Ｏ３  ８９〜９２重量％に、焼結助剤成分を８〜１１重量％含有してなり、上記焼結助剤成分としてＭｇＯを０．５〜３重量％を含有するとともに、Ｘ線回折にて２θ＝３６．８度近傍にＭｇＡｌ２Ｏ４のピークを有することを特徴とする。
【０００８】
また、上記ＭｇＡｌ２Ｏ４の２θ＝３６．８度近傍における第一ピーク強度ＩｍとＡｌ２Ｏ３の２θ＝３５．２度近傍との第一ピーク強度Ｉａとの比Ｉｍ／Ｉａが１％以上、２０％以下であることを特徴とする。
【０００９】
さらに、平均結晶粒径５μｍ以下、あるいはかさ密度３．５８以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の耐磨耗性アルミナ焼結体の製造方法は、出発原料としてアルミナ原料１００重量部に対し、焼結助剤成分として蛙目粘土または木節粘土のいずれかを９〜１５重量部混合することを特徴とする。
【００１１】
また、出発原料としてアルミナ原料１００重量部と焼結助剤成分１６〜２１重量部との混合粉体をボールミル、振動ミル、ビーズミル等による粉砕機にて、粉砕平均粒径を１．５〜２．５μｍまで水媒体による湿式粉砕混合することを特徴とする。
【００１２】
さらに、上記湿式粉砕混合の後、有機バインダーを添加して噴霧乾燥機等で顆粒をつくり、その加圧成形体を１４００〜１５００℃の大気雰囲気温度で焼成することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１４】
本発明の耐磨耗性アルミナ焼結体は工業用低ソーダアルミナまたは普通ソーダアルミナを使用し、主成分のＡｌ２Ｏ３  ８９〜９２重量％に、焼結助剤成分を８〜１１重量％含有してなり、この焼結助剤成分はＭｇＯ、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ｂ２Ｏ３のうち少なくとも一つ以上から成り、特にＭｇＯを０．５〜３重量％含有させることにより、アルミナの粒界相にＭｇＡｌ２Ｏ４のスピネル相を生成させたものである。
【００１５】
ＭｇＯの含有量としては、０．５重量％以上において、アルミナ焼結体のＸ線回折にて２θ＝３１．２度，３６．８度、並びに４４．８度付近にＭｇＡｌ２Ｏ４のスピネルピークを有することができ、１．１％以上、３．０％以下のＭｇＯの含有量で最も緻密化できることが確認された。更にＭｇＯの添加によりアルミナのもつ強度を大きく低下させることなく大気中１４００〜１４５０℃の焼成温度で緻密化することができる。
【００１６】
通常、アルミナ焼結体のサンドブラスト等に対する耐磨耗性を向上させるにはアルミナ焼結体の結晶サイズが小さいこと、気孔が少なくて緻密化していること即ち焼結かさ密度が大きいこと、強度・硬度が大きいことが望ましい。これらの条件を満足するには、上記のような組成系が最も優れていることを見出した。また、１４００℃以上１４５０℃未満の焼成温度で完全焼結させるには一般的に融点の低いＣａＯやＳｉＯ２が添加されるが、これらを使用すると気孔が多くなりその結果耐磨耗特性を阻害する。一方、ＭｇＯ添加においては、気孔も少なくて且つ焼結密度も向上することを見出した。
【００１７】
このアルミナ焼結体は、Ｘ線回折にて２θ＝３６．８度近傍にＭｇＡｌ２Ｏ４のピークを有し、このＭｇＡｌ２Ｏ４の２θ＝３６．８度近傍における第一ピーク強度ＩｍとＡｌ２Ｏ３の２θ＝３５．２度近傍との第一ピーク強度Ｉａとの比Ｉｍ／Ｉａが１％以上、２０％以下であることを特徴とする。
【００１８】
このピーク強度比Ｉｍ／Ｉａはアルミナ焼結体中におけるスピネル量に相当し、本発明ではピーク強度比Ｉｍ／Ｉａが１％以上、２０％以下の時に最も緻密化したアルミナの焼結体が得られることを見出したものである。Ｉｍ／Ｉａ比が１％より低いと１４００〜１４５０℃で完全に緻密化できないため、高強度、高耐摩耗性の焼結体を得ることができない。逆に、２０％より高くなっても１４００〜１４５０℃で完全に焼結・緻密化できないため、高強度、高耐摩耗性の焼結体を得ることができない。最も緻密化できるＩｍ／Ｉａ比は、４％以上、２０％以下の範囲であった。
【００１９】
さらに、本発明のアルミナ焼結体は、平均結晶粒径５μｍ以下であり、かさ密度３．５８以上であることが好ましい。
【００２０】
上記のアルミナ焼結体の平均結晶粒子径を求めるためには、鏡面研磨した面をファイア・エッチングしてマトリックス相を除去した後にアルミナ結晶組織を金属顕微鏡写真に撮り、平均結晶粒子径を測定する。その結果、本発明のアルミナ焼結体は、粒径５μｍ以下の結晶を主体とし、その中に粒径約１０μｍの比較的大きい結晶粒子が点在していることが確認される。
【００２１】
更にアルミナ焼結体のかさ密度は、ＪＩＳ  Ｒ  ２２０５の排水法により測定する。その結果、ＭｇＯ含有率０．５重量％未満では十分な焼結性が得られていないため、かさ密度の値も３．５７と低くなる。逆にＭｇＯの含有率が３重量％を超えてもかさ密度の値が３．５７と低い値になる。これは余剰のＭｇＯ成分が、逆に焼結性を阻害したものと考えられる。
【００２２】
以下、本発明の耐磨耗性アルミナ焼結体の製造方法を説明する。
【００２３】
出発原料としてアルミナ原料１００重量部と焼結助剤成分１６〜２１重量部との混合粉体をボールミル、振動ミル、ビーズミル等による粉砕機にて、粉砕平均粒径を１．５〜２．５μｍまで水媒体による湿式粉砕混合することを特徴とする。
【００２４】
上記焼結助剤成分としては、特に蛙目粘土または木節粘土のいずれかを９〜１５重量部混合する。
【００２５】
即ち、焼結助剤成分としてカオリンや陶石等を使用すると十分な緻密化や少ボイドの焼結体が得られず、蛙目粘土または木節粘土を用いると耐磨耗特性の極めて優れたアルミナ焼結体を得ることができた。そのため、アルミナ源としては低ソーダに限らずとも普通ソーダアルミナに置き換えても同様の耐磨耗性の優れたアルミナ焼結体を得られることを見出した。
【００２６】
なお、上記湿式粉砕混合工程において、粉砕粒度を２．１μｍ以下にするとさらに焼結かさ密度は高い値が得られた。この粉砕混合後のスラリーに有機バインダーを添加して噴霧乾燥機等で顆粒をつくり、その加圧成形体を１４００〜１５００℃の大気雰囲気温度で焼成することで高耐摩耗性アルミナ焼結体を得ることができる。
【００２７】
以下、本発明のアルミナ焼結体の製造方法をさらに詳細に説明する。
【００２８】
まず、平均凝集粒子径６０μｍの低ソーダアルミナ１００重量部に、焼結助剤として蛙目木節粘土、水酸化マグネシウム、珪石、ドロマイト、ホウ酸、マグネシアを合わせて１６〜２１重量部添加する。これらの合計を１００重量％とし、この粉末を２０Ｌの回転ボールミルに投入し、更に水７０重量％と、１０〜３０φの９１％アルミナボールを６８重量％と、分散剤０．１重量％を加えて、９６〜１２０時間ミル回転・粉砕混合した後、粒度測定を行う。
【００２９】
目標粒度の１．５〜２．５μｍ範囲にあることを確認した後で、バインダーを添加し、ディスク式噴霧乾燥機により顆粒を製作した。そして、この顆粒を金型中に充填して片圧式油圧プレス機にて１．０ｔｏｎ／ｃｍ２のプレス圧にて所定の形状に成形し、１４５０℃の大気雰囲気中にて３時間程度焼成することによりアルミナ焼結体を得ることができる。
【００３０】
そしてこのアルミナ焼結体をＸ線回折装置により、２θ＝３６．８度近傍におけるスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）回折ピークと、２θ＝３５．２度近傍のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）回折ピークのバックグラウンドからの高さ（ｍｍ）を求めることができる。
【００３１】
またアルミナ焼結体の焼結度合いをみるため、２０φ金型で厚み５ｍｍのタブレットを上記の成形条件にて成形・焼成した後、ＪＩＳ  Ｒ  ２２０５の排水法にてかさ密度を求める。
【００３２】
このアルミナ焼結体の耐磨耗性を評価する場合は、同様に６０φ金型で厚み２５ｍｍの円柱形状品を製作した後、サンドブラスト耐磨耗テストを行う。実際にこのような耐磨耗性テストを行った結果、極めて耐磨耗性の優れたアルミナ焼結体を得ることができた。また、アルミナ源としては低ソーダに限らずとも普通ソーダアルミナに置き換えても同様の耐磨耗性の優れたアルミナ焼結体を得ることができた。
【００３３】
本発明のアルミナ焼結体は、▲１▼製鉄用の高炉用耐磨耗部材として、ホッパー等の配管内部の内張り材、▲２▼石炭・コークス材の搬送ライン用の搬送用羽、ミキサー、ブロワー、スクリュウの羽部やコンベアー・ホッパーの内張り材、▲３▼その他、集塵・スラリー輸送・汚泥水・空気輸送のライン等のパイプ・エルボ内部の張り材など、さまざまな分野で使用することができる。
【００３４】
【実施例】
表１（調合組成を示す）と表２（化学成分組成を示す）に示す組成物１００重量％に水を７０重量％加えて、アルミナボールの入ったボールミルにて９６〜１２０時間粉砕・混合し、平均粒子径が１．５〜２．５μｍになった後で、バインダーとしてアクリル共重合体水溶液５．１重量％、ポリエチレングリコール２．４重量％、ソルビタン脂肪酸エステル０．２重量％を添加混合し、スプレードライヤーにて顆粒化した。
【００３５】
【表１】
2004292230.tif 000002
【００３６】
【表２】
2004292230.tif 000003
【００３７】
この顆粒を成形型に充填し、１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で加圧成形し、１４５０℃の酸化雰囲気スーパーバーン炉で焼結し、外形１６φ×厚み４ｍｍのテストピースとした。このテストピースに対し、水置換法でかさ密度を求め、Ｘ線回折装置によりＩｍ／Ｉａのピーク強度比を求めた。
【００３８】
また、同様にして外形４９φ×厚み２０ｍｍのテストピースを作製し、サンドブラスト磨耗テストを行った。なお、サンドブラストによる磨耗量は、最もかさ密度の大きかったＤの組成を基準（１００％）にして他の試料の磨耗量を比較測定した。
【００３９】
これらの結果は表３、表４に示す通りである。この結果より、ＭｇＯ含有量が０．５重量％未満である試料Ａ、３重量％を超える試料Ｇではかさ密度が３．５７と低く、磨耗量も多かった。
【００４０】
これに対し、本発明の範囲内である試料Ｂ〜Ｆはかさ密度が３．５８以上と高く、耐磨耗性も優れていることがわかる。
【００４１】
【表３】
2004292230.tif 000004
【００４２】
【表４】
2004292230.tif 000005
【００４３】
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、主成分のＡｌ２Ｏ３  ８９〜９２重量％に、焼結助剤成分を８〜１１重量％含有してなり、上記焼結助剤成分としてＭｇＯを０．５〜３重量％を含有するとともに、Ｘ線回折にて２θ＝３６．８度近傍にＭｇＡｌ２Ｏ４のピークを有する耐磨耗性アルミナ焼結体とすることによって、工業用低ソーダアルミナや普通ソーダアルミナを使った調合組成においても１４００〜１４５０℃の焼成温度で安価なアルミナセラミックの緻密な焼結体が得られ、更にセラミックライナーに要求される極めて高い耐磨耗特性を得ることができた。