(57)【要約】【課題】被加工材との焼付きや磨耗損傷を生じることが少なく、配管用パイプ等の金属中空体の径を精度良く効率的に拡張することが可能な加工治具用セラミックスボールおよびそれを用いた管径調整治具を提供する。【解決手段】研磨加工後の真球度が±２５μｍであり、表面の平均粗さが算術平均粗さＲａで０．０２５μｍ以上である球状の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成ることを特徴とする加工治具用セラミックスボールである。また、前記窒化珪素焼結体のビッカース硬度Ｈｖが１２００〜１５５０であることが好ましく、さらに焼結体の破壊靭性値Ｋ１Ｃが５．５〜８ＭＰａ・ｍ１／２であることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨加工後の真球度が±２５μｍであり、表面の平均粗さが算術平均粗さＲａで０．０２５μｍ以上である球状の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成ることを特徴とする加工治具用セラミックスボール。
【請求項２】
前記窒化珪素焼結体のビッカース硬度Ｈｖが１２００〜１５５０であることを特徴とする請求項１記載の加工治具用セラミックスボール
【請求項３】
前記窒化珪素焼結体の破壊靭性値Ｋ１Ｃが５．５〜８ＭＰａ・ｍ１／２であることを特徴とする請求項１記載の加工治具用セラミックスボール。
【請求項４】
配管内に、その内径より大径の球状体を押し込み、押し込んだ球状体の一次側に高圧流体を作用せしめ、球状体が移動する方向に順次配管径を拡開する管径調整治具において、上記球状体は、研磨加工後の真球度が±２５μｍであり、表面の平均粗さが算術平均粗さＲａで０．０２５μｍ以上である球状の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成るセラミックスボールであることを特徴とする管径調整治具。
【請求項５】
前記窒化珪素焼結体のビッカース硬度Ｈｖが１２００〜１５５０であることを特徴とする請求項４記載の管径調整治具。
【請求項６】
前記窒化珪素焼結体の破壊靭性値Ｋ１Ｃが５．５〜８ＭＰａ・ｍ１／２であることを特徴とする請求項４記載の管径調整治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加工治具用セラミックスボールおよびそれを用いた管径調整治具に係り、特に被加工材との焼付きや磨耗損傷を生じることがなく、配管用パイプ等の金属中空体の内外径を精度良く効率的に拡張することが可能な加工治具用セラミックスボールおよびそれを用いた管径調整治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、化学プラントの熱交換器や原子力プラントの復水器などにおいて、チューブの端部を押し広げ（拡管）してチューブを管板に固定する操作がなされている。また、溶接による固定が困難な部位では、小径の配管を部品の固定穴に挿通した後に，その配管を機械的手段によって拡張せしめて配管とその周囲部品とを一体的に固定する方法が広く採用されている。
【０００３】
例えば、薄板へのスタッドの固定方法として、薄板に挿通した中空円筒状のスタッドの端部に球体を押し込み、該部を拡径して固定する方法がある。（例えば、特許文献１参照）
さらに、図１は化学プラント，空調機，各種冷却器等で使用されるフィン・チューブ熱交換器において、球状体による拡管工程を利用したチューブ（配管）と放熱フィンとの固定操作を示す断面図である。このフィン・チューブ熱交換器は、配管（チューブ）１内を流れる液体または相変化する流体と、フィン２側を流れる気体との熱交換を図る機器である。この熱交換器の配管（チューブ）１と放熱フィン２とを固定するには、まずカラー３を有し、所定の内径（Ｄ）の貫通孔４を有する多数の放熱フィン２を軸方向に列設し、この貫通孔４の内径より小さい外径ｄを有する配管（チューブ）１を挿通する。しかる後に、上記配管１内に、その内径より大径の球状体５を押し込み、押し込んだ球状体５の一次側に、高圧水や高圧ガスなどの高圧流体を作用せしめ、球状体５が移動する方向に順次配管径を拡開する管径調整治具が用いられ、この拡管処理により、配管（チューブ）１と放熱フィン２とが密着固定され、両者間の接触熱抵抗が減少し、効率的な熱交換が可能となる。
【０００４】
上記配管用パイプの径を精度良く広げるための治具である球状体としては、従来、軸受鋼や超硬合金などから成る金属球体が用いられていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１４０９６４号公報（第１〜３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記配管用パイプの径を拡張するための治具である球状体として、従来の軸受鋼や超硬合金などから成る金属球体が用いた管径調整治具においては、配管用パイプ内を水圧等で金属球体を軸方向に移動する際に、配管内壁面と球体表面との摩擦により金属球体が短期間のうちに磨耗するため、その交換頻度が高く作業性が低くなる問題点があった。また、配管内での金属球体の焼き付き・固着が発生し易く、より高圧の流体を作用させても、金属球体の移動が困難になり、配管自体も含めて廃棄を余儀なくされるなどの不経済性が顕著であった。また、経時的に磨耗量が増加するために、配管の仕上がり管径の精度が悪化するという問題点もあった。
【０００７】
本発明は上記従来の問題点を解決するために成されたものであり、被加工材との焼付きや磨耗損傷を生じることが少なく、配管用パイプ等の金属中空体の内外径を精度良く効率的に拡張することが可能な加工治具用セラミックスボールおよびそれを用いた管径調整治具を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明者は種々の球状体を調製し、それらの球状体を拡管加工治具として使用した場合の磨耗特性、耐久性、耐焼付き性、仕上り精度等を比較検討した。その結果、特に球状体として窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成るセラミックスボールを拡管加工治具として繰返して使用したときに、磨耗が少なく焼付きの発生もなく耐久性に優れた拡管加工治具が得られ、配管の加工仕上り精度も大幅に改善できるという知見を得た。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【０００９】
すなわち、本発明に係る加工治具用セラミックスボールは、研磨加工後の真球度が±２５μｍであり、表面の平均粗さが算術平均粗さＲａで０．０２５μｍ以上である球状の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成ることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る管径調整治具は、配管内に、その内径より大径の球状体を押し込み、押し込んだ球状体の一次側に高圧流体を作用せしめ、球状体が移動する方向に順次配管径を拡開する管径調整治具において、上記球状体は、研磨加工後の真球度が±２５μｍであり、表面の平均粗さが算術平均粗さＲａで０．０２５μｍ以上である球状の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成るセラミックスボールであることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る加工治具用セラミックスボールを構成するセラミックス焼結体としては、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体などの窒化物系セラミックス焼結体の他に、（アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やジルコニア（ＺｒＯ２）などの酸化物系セラミックス焼結体または炭化珪素（ＳｉＣ）などの炭化物系セラミックス焼結体を使用した場合にも、従来の金属製ボールを使用した場合に比較して優れた耐磨耗性が得られるが、特に構造強度が要求される加工治具用ボールとしては、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体製のセラミックスボールが有効である。
【００１２】
また、本発明に係る加工治具用セラミックスボールは、Ｓｉ３Ｎ４粉末を主たる原料として、これに焼結助材と添加材粉末と溶剤・バインダー等とを添加した原料混合体を解砕し、この解砕粉をスプレードライヤーにて造粒した粉末を金型プレス法や冷間静水圧プレス法等により球状に成形し、さらに脱脂・焼結した後に研磨・磨き加工を実施してその表面性状および形状精度を調整する方法で製造される。
【００１３】
本発明に係るセラミックスボールの研磨加工後の真球度は±２５μｍの範囲に規定される。ここで、上記真球度は研磨加工したセラミックスボールの表面全体に渡って任意に選定した２０箇所における直径の測定値の幾何学的球からの偏差のばらつき範囲を意味する。
【００１４】
上記セラミックスボールの研磨加工後の真球度が±２５μｍの範囲外になると、このセラミックスボールを拡管加工治具として使用した場合に、配管の加工仕上り精度が低下してしまう。したがって、上記真球度は±２５μｍの範囲内に規定されるが、より仕上り精度を高めるために、±２０μｍの範囲内に規定することが、より好ましい。
【００１５】
また、加工治具用セラミックスボールを構成する球状の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体表面の平均粗さは、研磨・みがき加工後において算術平均粗さＲａで０．０２５μｍ以上、より好ましくは０．０５μｍ以上であることが、拡管性および製造コスト上好ましい。上記窒化珪素焼結体表面の平均粗さＲａが０．０２５μｍ未満となると、セラミックスボールから配管内壁に伝える摩擦力が減少し易くなるため、拡管操作が円滑に進行し難くなる。また、上記窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体表面の平均粗さＲａを０．０２５μｍ未満とするためには、厳正な研磨加工工程が必要となる。
【００１６】
前記のように、Ｓｉ３Ｎ４粉末を主たる原料として、焼結助材と添加材粉末と溶剤・バインダー等とを加えて混合・解砕し、スプレードライヤーにて造粒した粉末をプレス等により球状成形し、脱脂・焼結して形成されたセラミックスボールは耐摩耗性に優れており、特に高精度に研磨加工し真球度を調整したものはベアリング（軸受け用転動体）や自動車用チェックボール等の弁として多用されている。
【００１７】
上記ベアリング（軸受け用転動体）等として多用されているセラミックスボールの真球度は通常で±０．１〜２μｍと極めて高精度であり、表面粗さも０．０１μｍ程度まで要求されるため、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体の最終仕上げ加工に多大な時間と労力を要し、ボールの製造コストが極めて高価になる。
【００１８】
しかるに、本発明に係る加工治具用セラミックスボールでは、ベアリング用ボールほどの品質精度（真球度、表面粗さ）は必要とされず、厳密な仕上げ加工は不要であるため、安価に製造可能である。
【００１９】
また、上記加工治具用セラミックボールおよび管径調整治具において、前記窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体のビッカース硬度Ｈｖが１２００〜１５５０であることが好ましい。上記加工治具用セラミックボールの外表面は配管内面と摺動する摩擦面であり、高い耐磨耗性と耐面圧性を与えるために、そのビッカース硬度Ｈｖは１２００以上とされる一方、拡管操作時でのボールの割れを防止するためにはビッカース硬度Ｈｖの上限値は１５５０とする。上記ビッカース硬度Ｈｖの範囲において、セラミックボールの高い耐磨耗性と耐面圧性とが得られると共に、割れに対する危険度が大幅に緩和される。
【００２０】
さらに、上記加工治具用セラミックボールおよび管径調整治具において、前記窒化珪素焼結体の破壊靭性値Ｋ１Ｃが５．５〜８ＭＰａ・ｍ１／２であることが好ましい。上記破壊靭性値Ｋ１Ｃが５．５Ｐａ・ｍ１／２未満である場合には、充分な耐磨耗性および耐面圧性が得られず、耐クラック性も不十分である。
【００２１】
なお、従来の軸受け用ボールにおいては、破壊靭性値Ｋ１Ｃが６〜７．５ＭＰａ・ｍ１／２の範囲のセラミックスボールが用いられていたが、本発明の加工治具用セラミックボールでは、窒化珪素焼結体の破壊靭性値Ｋ１Ｃが５．５〜８ＭＰａ・ｍ１／２とされているため、従来の軸受け用ボールと比較して靭性値を調製するための厳格な工程は必要としない優位性がある。
【００２２】
本発明に係るセラミックスボールを構成する窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体は、概略下記のような組成および処理工程で効率的に製造できる。すなわち、酸素を１．５質量％以下、α相型窒化けい素を７５〜９７質量％含有し、平均粒径が１．０μｍ以下の窒化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して１〜１０質量％添加した原料混合体を成形して球状の成形体を調製し、得られた成形体を脱脂後、焼結する途中で温度１２５０℃〜１６００℃で所定時間保持した後、温度１６５０℃〜１８５０℃で本焼結し、得られた焼結体に対して所定の研磨処理や磨き処理を実施することにより、真球度および表面粗さを調整して製造される。
【００２３】
さらに、上記製造方法において、上記焼結温度から、上記希土類元素により焼結時に形成された液相が凝固する温度までに至る焼結体の冷却速度を毎時１００℃以下にして徐冷することにより、気孔径をさらに小さくすることができ、セラミックスボールの破壊靭性値をより高めることができる。
【００２４】
また上記製造方法において、前記窒化けい素原料粉末にアルミニウムおよびマグネシウムの少なくとも一方を酸化物に換算して５質量％以下添加することが好ましい。また、前記窒化けい素粉末に窒化アルミニウムを５質量％以下添加することが好ましい。さらに、前記窒化けい素粉末にＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒからなる群より選択される少なくとも１種を酸化物に換算して５質量％以下添加することが好ましい。
【００２５】
また焼結後、前記窒化けい素焼結体に対し、３００気圧以上の非酸化性雰囲気中で温度１６００℃〜１８５０℃で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を実施することが好ましい。
【００２６】
上記製造方法によれば、耐摩耗性部材を構成する窒化けい素焼結体を調製する際に、焼結途中で窒化けい素成形体を所定条件下で保持操作を実施した後に、本焼結して形成されているため、焼結体の酸素濃度が効果的に減少し、この酸素に起因する気孔の発生が抑制されて最大気孔径を極微小化することが可能である。そして、応力が作用した場合に疲労破壊の起点となり易い気孔が減少するため、疲労寿命および耐久性に優れたセラミックスボールが得られる。また保持操作による脱酸作用が進行しても焼結性が向上し気孔が減少することにより、全酸素量が６質量％以下、好ましくは４．５質量％以下であり、窒化けい素結晶組織中に希土類元素等を含む粒界相が形成され、その粒界相中の最大気孔径が０．３μｍ以下であり、気孔率が０．５％以下、三点曲げ強度が室温で９００ＭＰａ以上であり、破壊靭性値が５．５〜８ＭＰａ・ｍ１／２であり、圧砕強度が２００ＭＰａ以上の機械的特性に優れた窒化けい素製セラミックスボールが得られる。
【００２７】
上記構成に係る加工治具用セラミックスボールおよびそれを用いた管径調整治具によれば、耐摩耗性に優れた窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体で形成されているため、配管用パイプの径を拡張するための治具である球状体として長期間使用した場合においても、配管内壁面とセラミックスボール表面との摩擦により磨耗する割合が極めて少なく、磨耗によるボールの交換頻度が極めて少なく拡管作業性が大幅に改善される。また、セラミックスボールの耐摩耗性が良好であるため、配管パイプの仕上り径を高精度に保持でき、且つ長期間に亘り繰返して使用でき、優れた耐久性を発揮できる。
【００２８】
また、従来の軸受鋼や超硬合金などから成る金属球体を用いた管径調整治具とは異なり、配管内でのセラミックスボールの焼き付き・固着が発生することがないため、配管途中での詰まりは生じない上に、長尺の配管系に対しても安心して拡管操作を実施することができる。また、配管途中での詰まり・焼き付きが生じないため、配管自体も含めて廃棄を余儀なくされるなどの不経済性は解消される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態を以下に示す実施例を参照して具体的に説明する。
【００３０】
実施例として、酸素量が１．１質量％であり、α相型窒化けい素９７質量％を含む平均粒径０．５５μｍのＳｉ３Ｎ４（窒化けい素）原料粉末８６質量％に、焼結助剤として平均粒径０．９μｍのＹ２Ｏ３（酸化イットリウム）粉末５質量％と、平均粒径０．７μｍのＡｌ２Ｏ３（アルミナ）粉末５質量％と、平均粒径１．０μｍのＡｌＮ（窒化アルミニウム）粉末２質量％、平均粒径０．５μｍのＴｉＯ２（酸化チタン）粉末２質量％を添加し、エチルアルコール中で粉砕媒体として窒化けい素製ボールを用いて９６時間ボールミルで湿式混合した後に、乾燥して原料混合体を調製した。
【００３１】
次に得られた原料粉末混合体に有機バインダーを所定量添加し調合造粒粉とした後に、１３０ＭＰａの成形圧力でプレス成形し、破壊靭性値測定用サンプルとして５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの成形体と、セラミックスボール用サンプルとして各種直径を有する成形体とを多数製作した。次に得られた成形体を４５０℃の空気気流中において４時間脱脂したのち、常温から加熱し１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気中にて温度１４００℃で２時間にわたる途中保持操作を実施した後、０．７ＭＰａの窒素ガス雰囲気中にて温度１７５０℃で４時間焼結した後に、１５００℃まで温度降下するまでの冷却速度をそれぞれ１００℃／ｈｒとなるように調整して焼結体を徐冷した。次に得られた焼結体に対して窒素ガス雰囲気中で圧力１００ＭＰａにて温度１７００℃で１時間加熱する熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を実施した。さらに、得られた球状の窒化珪素焼結体について、研磨加工を実施することにより、直径が８〜１５．５ｍｍである各実施例に係る窒化珪素焼結体製セラミックスボールをそれぞれ調製した。
【００３２】
各実施例に係るセラミックスボールの研磨加工後の真球度を測定したところ、±２０μｍの範囲であり、表面の平均粗さは算術平均粗さＲａで０．０５〜０．１μｍの範囲であった。また、前記破壊靭性値測定用サンプルから測定した各窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成る加工治具用セラミックスボールの破壊靭性値Ｋ１Ｃは６．３〜７．５ＭＰａ・ｍ１／２であった。
【００３３】
さらに、各実施例に係るセラミックスボール表面の１０点について、ビッカース硬度Ｈｖを測定し、その平均値を求めたところ、１３７０〜１４６０であった。
【００３４】
そして、図１に示すように、上記のように調製した各セラミックスボール６を、呼径１０Ａ〜１５Ａの銅配管１内に押し込み、押し込んだセラミックスボール６の一次側に高圧水を供給し、セラミックスボール６が移動する方向に順次配管径を拡開する管径調整操作を実施した。
【００３５】
一方、比較例として、各実施例のセラミックスボールと同一の直径を有し、従来の超硬合金から成る金属球体５を調製し、上記各実施例に係るセラミックスボール６と同様に、図１に示す拡管用治具（管径調整治具）として使用し、管径調整操作を実施した。
【００３６】
その結果、球状体として窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体から成るセラミックスボール６を拡管加工治具として使用した各実施例においては、磨耗が少なく焼付きの発生もなく耐久性に優れた拡管加工治具が得られ、配管の加工仕上り精度も大幅に改善できた。具体的には、セラミックスボール６を使用した実施例において、連続的に拡管加工を継続できる延べの配管長は、超硬合金から成る金属球体５を使用した比較例の場合と比較して６．２〜８．５倍も延伸することができた。
【００３７】
また、上記のように拡管加工を継続できる延べ配管長が長大化しても、仕上り精度には変化は無く、優れた耐久性が発揮されることが判明した。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明に係る加工治具用セラミックスボールおよびそれを用いた管径調整治具によれば、耐摩耗性に優れた窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体で形成されているため、配管用パイプの径を拡張するための治具である球状体として長期間使用した場合においても、配管内壁面とセラミックスボール表面との摩擦により磨耗する割合が極めて少なく、磨耗によるボールの交換頻度が極めて少なく拡管作業性が大幅に改善される。また、セラミックスボールの耐摩耗性が良好であるため、配管パイプの仕上り径を高精度に保持でき、且つ長期間に亘り繰返して使用でき、優れた耐久性を発揮できる。
【００３９】
また、従来の軸受鋼や超硬合金などから成る金属球体を用いた管径調整治具とは異なり、配管内でのセラミックスボールの焼き付き・固着が発生することがないため、配管途中での詰まりは生じない上に、長尺の配管系に対しても安心して拡管操作を実施することができる。また、配管途中での詰まり・焼き付きが生じないため、配管自体も含めて廃棄を余儀なくされるなどの不経済性は解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学プラント，空調機，各種冷却器等で使用されるフィン・チューブ熱交換器において、球状体による拡管工程を利用したチューブ（配管）と放熱フィンとの固定操作を示す断面図。
【符号の説明】
１  配管（チューブ）
２  放熱フィン
３  カラー
４  貫通孔
５  球状体
６  セラミックスボール
【図１】
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