JP3080873B2 - 耐摩耗性アルミナ質セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

耐摩耗性アルミナ質セラミックス及びその製造方法

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JP3080873B2
JP3080873B2 JP08025218A JP2521896A JP3080873B2 JP 3080873 B2 JP3080873 B2 JP 3080873B2 JP 08025218 A JP08025218 A JP 08025218A JP 2521896 A JP2521896 A JP 2521896A JP 3080873 B2 JP3080873 B2 JP 3080873B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性アルミナ質
セラミックス、特に、耐摩耗性部材材料として有用な耐
摩耗性アルミナ質セラミックス及びその製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】近年、セラミックスは、耐摩耗性及び耐
食性において金属材料よりも優れていることが着目さ
れ、従来の金属に代わる耐摩耗部材材料として使用され
てきている。この種のセラミックスとしては、通常、ア
ルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素などが知られ
ているが、それらの中でも、硬度が高く、耐食性に優
れ、安価であるアルミナを主体とするアルミナ質セラミ
ックスが広く使用されている。通常、アルミナ質セラミ
ックスは、アルミナ単体のみでは焼結性が悪いため生産
性に欠けることから、焼結助剤その他の添加剤を加えて
焼成することが行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
アルミナ質セラミックスでは、Al23の含有量が90
〜95重量%になる程度に多量の添加剤を添加している
ため、アルミナ結晶粒界にアルミナ結晶以外の第2相及
びガラス相が多量に生成し、アルミナ本来の硬度及び強
度が得られず、十分な耐摩耗性が得られないという問題
があった。この問題を解決するため、Al23 95〜
98重量%を主成分とし、これにSiO2 40〜85重量
%、MgO 10〜55重量%、CaO 5〜50重量%から
なる焼結助剤を2〜5重量%添加してなるアルミナ質セ
ラミックスが特開平7-206514号公報にて提案さ
れている他、特開平7-237961号公報にて、Al2
390〜95重量%を主成分とし、これにSiO2 3.0
〜5.0重量%、MgO 1.0〜1.5重量%及びB23
0.5〜3.5重量%を添加してなるアルミナ質セラミッ
クスが提案されている。
【0004】特開平7-206514号公報に記載のも
のは、焼結助剤の添加量を少なくすることにより耐摩耗
性を向上させたものであるが、アルミナ含有量が多くな
るほど焼結性が低下するため高温で焼成しなければなら
ず、しかも、焼成温度によっては結晶粒度分布が広くな
り易く耐摩耗性の低下をきたし易いという問題がある。
また、このアルミナ質セラミックスを粉砕用ボールとし
て用いた場合、空ずり摩耗、即ち、ボールミルに粉砕用
ボールと水のみを入れて回転させた時の摩耗では優れた
特性を示すが、実際にアルミナ等の粉体を粉砕した場合
の実摩耗では未だ満足できるものではないのが明らかと
なった。
【0005】また、特開平7-237961号公報に記
載のものは、Al23含有量が90〜95重量%と従来
のものと同程度でも優れた耐摩耗性を示すが、粒子成長
の抑制及び焼成温度の低温化を目的として添加されるB
23は1000℃でもかなりの蒸気圧を示し、焼成中に
蒸発し易いため組成に変動を生じ易く、必然的に特性に
バラツキを生じ、しかもB23の蒸発に起因してセラミ
ックス内部に空孔を生じ、耐摩耗性の低下を招く恐れが
ある。
【0006】従って、本発明は、低温焼結可能で特性の
バラツキが少なく、耐摩耗性に優れたアルミナ質セラミ
ックスを安価に得ることを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するための手段として、基本的には、Al23 88
重量%以上95重量%未満をアルミナ質セラミックスの
主成分とし、これにSiO2 72〜85重量%、MgO
3〜25重量%及びCaO 3〜25重量%からなる副成
分を、該副成分の各成分の含有量がSiO2 3.6〜10
重量%、MgO0.2〜2.5重量%及びCaO 0.2〜
2.5重量%で、それらの合計量が5〜12重量%とな
るように添加する一方、不可避的不純物を0.5重量%
以下に抑制するようにしたものであって、これによって
セラミックスの欠陥量を5%以下に抑制し実摩耗に絶え
うるようにしたものである。
【0008】本明細書において、セラミックスの欠陥量
とは、平面研削盤を用いてセラミックスを下記条件によ
り研削加工した後、研磨加工して鏡面仕上げし、その鏡
面仕上げした面(以下、鏡面仕上げ面という。)を所定
の倍率(通常、500倍)の走査電子顕微鏡で写真撮影
を行い、その写真を画像解析にて欠陥部分と欠陥でない
部分とを二値化により分離して、その欠陥部分が画像全
体に占める面積の割合(即ち、面積率(%))をいう。こ
の欠陥部分には、気孔だけでなく、焼結体の研削及び研
磨加工して鏡面仕上げする際に発生する脱粒の後、及び
焼結体のかさ密度値に影響を与えないレベルの欠陥も含
まれる。
【0009】前記鏡面仕上げは、平面研削盤とレジンボ
ンドタイプのダイヤモンド砥石を用い、まず、粒度#1
40のダイヤモンド砥石で、その砥石の周速を1500
m/sec、切込み深さを8μm、非研削物であるセラミック
ス(以下、ワークという。)の左右の送り速度(以下、
ワーク送りという。)を17m/secとして約80μm研削
した後、切込みを止めて砥石を5往復させ、次に、砥石
を#400のダイヤモンド砥石に取り替え、周速150
0m/sec、切込み深さ5μm、ワーク送り13m/secの条
件下で約50μm研削した後、切込みを止めて砥石を1
0往復させ、更に、砥石を#600のダイヤモンド砥石
に取り替え、周速1500m/sec、切込み深さ2μm、ワ
ーク送り10m/secの条件下で約20〜30μm研削した
後、切込みを止めて砥石を15往復させることにより研
削を行い、その後、研削加工したセラミックスの研削面
に、40μmのダイヤモンド砥粒を埋め込んだダイヤモ
ンドパッドを2.6kgf/cm2で加圧して3分研磨し、更
に、6μmのダイヤモンド砥粒で2.6kgf/cm2に加圧し
て5分研磨した後、3μmのダイヤモンド砥粒で2.6kg
f/cm2に加圧して15分間研磨し、最後に1μmのダイヤ
モンド砥粒で1.3kgf/cm2に加圧して5分研磨すること
により行う。
【0010】即ち、本発明に係る耐摩耗性アルミナ質セ
ラミックスは、Al23 88重量%以上95重量%未
満、SiO2 3.6〜10重量%、MgO 0.2〜
2.5重量%、CaO 0.2〜2.5重量%、及び不
可避的不純物0.5重量%以下からなり、副成分である
前記SiO2、MgO及びCaOの含有量の和が5〜1
2重量%であって、当該副成分のSiO2、MgO及び
CaOの含有量の和を100としたとき各成分の割合が
SiO2 72〜85重量%、MgO 3〜25重量%、
CaO 3〜25重量%であって、前記不可避的不純物
もうちアルカリ金属酸化物0.4重量%以下、TiO2
0.2重量%以下、前記副成分がアルミナ結晶粒界にガ
ラス層として存在し、平均結晶粒径1.0から5.0μ
m、かさ密度3.60g/cm3以上、ビッカース硬さ1
100以上、曲げ強さ40kgf/mm2以上であること
を特徴とするものである。
【0011】前記主成分であるAl23の含有量は、9
0〜94.5重量%の範囲がより好適である。また、前
記副成分の含有量は、SiO2 5〜10重量%、MgO
0.4〜1.5重量%、CaO 0.3〜1.5重量%で、そ
れらの含有量の和を100としたときの各成分の割合が
SiO2 73〜84重量%、MgO 3.5〜15重量
%、CaO 4〜15重量%の範囲内であるのがより好適
である。
【0012】また、本発明は、前記アルミナ質セラミッ
クスの強度及び靭性を一段と向上させると共に、そのマ
クロ組織をより均一化するため、前記成分組成からなる
基本組成物100重量部に対してZrO2を0.01〜1
5重量部、好ましくは0.05〜10重量部、より好ま
しくは、0.1〜8重量部含有させるようにしたもので
ある。
【0013】更に、本発明は、原料粉末を所定の割合で
配合し、その混合物を平均粒径0.5〜1.0μm粉末に
微粉砕し、得られた微粉末を所定形状に成形してかさ密
度1.90〜2.10g/cm3の成形体を得、これを焼成す
ることを特徴とする耐摩耗性アルミナ質セラミックスの
製造方法を提供するものである。この場合、粉砕後の微
粉末の比表面積は8m2/g〜15m2/gが好ましく、また、
成形体の焼成温度としては1350〜1600℃が好適
である。
【0014】前記不可避的不純物の含有量は0.5重量
%以下になるように設定されるが、その中でも、Na2
やK2Oなどのアルカリ金属酸化物の含有量は0.45重
量%以下、好ましくは、0.4重量%以下、また、TiO
2の含有量は0.2重量%以下、好ましくは0.15%以
下に抑制するのが好適である。
【0015】また、前記欠陥量は、セラミックスの耐摩
耗性に非常に大きな影響を与えるため、鏡面仕上げ面で
の欠陥量は5%以下が必要である。これは、欠陥量が5%
を超えるとこれらの欠陥が摩耗の起点なって摩耗が促進
され、耐摩耗性の低下を招く同時に耐衝撃強度の低下が
起こるので好ましくないからである。この欠陥量は好ま
しくは3%以下、より好ましくは2%以下が好適である。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明に係る耐摩耗性アルミナ質
セラミックスは、前記の如く、原料を前記組成になるよ
うに配合し、その混合物を粉砕して平均粒径1.0μm以
下、比表面積8m2/g以上、より具体的には、平均粒径が
0.5〜1.0μm、比表面積が8m2/g〜15m2/gの原料
粉末を調製し、得られた原料粉末を所定形状に成形し
て、かさ密度が1.90〜2.10g/cm3の成形体を得、
これを1350〜1600℃の温度で焼成することによ
り製造されるが、具体的には、例えば、次の方法により
製造できる。
【0017】(1)まず、アルミナ質セラミックスを構
成する各構成元素の化合物を前記組成比になるように配
合し、必要に応じてZrO2原料を添加し、水または有機
溶媒中で湿式によってボールミル、アトリッションミル
等の公知の粉砕機を用いて粉砕、混合、分散し、原料粉
末の調製を行う。
【0018】主成分のアルミナ原料としては、アルミナ
純度が99.7重量%以上、比表面積2m2/g以上、平均粒
径が3μm以下、好ましくは0.5〜3μmのものが適当
である。また、このアルミナ原料は明ばん法等により製
造されたものでも良いが、バイヤー法によるアルミナ原
料を使用することが好ましく、安価に作ることができる
利点がある。
【0019】副成分のうちMgOおよびCaOの原料とし
ては、酸化物、水酸化物、炭酸塩等の塩類を使用できる
が、平均粒径3.0μm以下、より好ましくは、0.5〜
3.0μmのものを使用するのが適当である。また、Si
2原料としては、珪石、石英、シリカゾル、エチルシ
リケート等を使用でき、またカオリン等の粘土鉱物やZ
rO2にY23等の希土類元素を安定化剤として固溶させ
た正方晶系ジルコニアを使用しても良い。このZrO2
原料としては、平均粒径が1.0μm以下、より好ましく
は、0.5〜1.0μmで、比表面積5m2/g以上、より好
ましくは、5〜16m2/gのものが好適であり、Y23
の安定化剤を固溶させた正方晶系ジルコニアを原料とし
て用いた場合には応力誘起相変態効果による靭性の向上
を図ることができる。
【0020】前記アルミナ質セラミックスの原料には、
通常、不可避的不純物、例えば、Fe23、Na2O、K2
O及びTiO2等が含まれるが、不可避的不純物のうちア
ルカリ金属酸化物及びTiO2は第2相を生成したり異常
粒成長をきたすので、不可避的不純物の含有量が可能な
限り少ないものを使用し、特に、Na2O及びK2OはSi
2等と容易にガラス相を形成するため、アルカリ金属
酸化物の含有量が0.45重量%以下に、また、TiO2
は結晶成長を促進させたり異常粒成長の原因となること
から、その含有量が0.2重量%以下、好ましくは0.1
5%以下になるように原料を選択して配合される。
【0021】粉砕、混合及び分散は、水または有機溶媒
中で湿式にて行われるが、その際のスラリーの粘性は5
0〜1500cpsが好適である。粘性が高い場合には、
アクリル酸ソーダ、ポリカルボン酸塩等の分散剤を適宜
添加して粘性を調製するのが好ましい。粉砕により得ら
れる粉体の平均粒径は1.0μm以下、比表面積は5m2/g
以上、より具体的には、平均粒径0.5〜1.0μm、比
表面積8m2/g〜15m2/gになるように粉砕される。所定
の粒度への粉砕は、例えば、ボールミルを用いて20mm
φのアルミナ製ボールで96時間粉砕することにより行
うことができる。
【0022】(2)このようにして得たスラリーを乾燥
及び造粒することにより造粒粉末が得られる。乾燥方法
は、使用する成形方法に応じて選択され、通常、成形法
として金型プレス若しくはCIP(冷間等方圧プレス)成
形法を採用する場合にはスプレードライヤーによる乾燥
を、また、鋳込み成形及び転動造粒成形を採用する場合
あるいは押出成形及び射出成形を採用する場合には乾燥
器による乾燥を選択するのが好ましい。
【0023】造粒した粉体は次工程の成形において低圧
力でも潰れることが重要で、潰れ性の悪い造粒粉体は焼
結体に含まれる欠陥量の増加につながる。潰れ性の良好
な造粒粉体は、スラリーに添加するバインダーの種類と
量及びスプレードライヤー処理時の諸条件を適宜選択す
ることによって得られる。なお、バインダーとしては、
ポリビニルアルコール(PVA)、アクリル樹脂、パラフ
ィンワックスエマルジョン等従来使用されている任意の
ものを使用すれば良く、また、分散剤としてはアクリル
酸ソーダ、ポリカルボン酸塩等を使用すれば良い。
【0024】例えば、スプレードライヤーを用いて乾燥
する場合、前記工程で粉砕したスラリーに、その固形分
(原料粉末)に対して1〜5重量%のバインダーを添加
するれば良い。バインダを添加した際、その粘性が50
0cpsを越える場合には、分散剤を添加して粘性を50
0cps以下に調製する。得られたスラリーをスプレード
ライヤーにより温度150〜250゜Cの温度で噴霧乾
燥、造粒する。この成形用粉体は、通常、含水率0.2
〜2%、粒子径40〜100μmの範囲に調製される。次
いでこの粉体を用いてセラミックスの製造における常法
に従って金型プレス、CIP等により成形圧500〜20
00kgf/cm2で所定の形状に成形する。
【0025】また、転動造粒、鋳込成形、押出成形、射
出成形等の成形方法によって成形する場合、スプレード
ライヤー工程を省略し、スラリーのまま、或いは単に乾
燥して成形用原料としたものでも使用できる。例えば、
成形方法として鋳込み成形を用いる場合、粉砕したスラ
リーをアクリル酸ソーダ、ポリカルボン酸塩等の分散剤
を用いて150cps以下の粘性に調製し、石膏型を用い
て成形する。
【0026】成形方法として転動造粒成形を用いる場
合、粉砕したスラリーにバインダーを添加し、これを乾
燥器により80〜120゜Cで乾燥させ、乾燥粉体をアト
マイザー等の粉砕機で粉砕し、#40〜#80メッシュの
篩いを通して篩下の粉体を得る。この粉体をそのまま用
いて転動造粒成形する。
【0027】更に、成形方法として押出成形又は射出成
形を採用する場合、粉砕したスラリーを乾燥器で80〜
120゜Cで乾燥させ、乾燥粉体をアトマイザー等の粉砕
機で粉砕し、#40〜#80メッシュの篩いを通して篩下
の粉体を得、これにバインダを押出成形の場合は3〜1
0%、射出成形の場合は15〜30%添加して混合機で混
合し、成形用坏土を調製し、押出成形又は射出成形す
る。
【0028】前記成形方法に拘わらず、得られた成形体
は、かさ密度が1.90g/cm3以上であることが必要であ
り、より好ましくは1.95g/cm3以上であるのが望まし
い。かさ密度が1.90g/cm3未満では、得られる焼結体
中の欠陥が増えるので好ましくない。
【0029】この様にして得られた成形体を1350〜
1600℃、より好ましくは1400〜1550℃の温
度で焼成することによって、目的とする耐摩耗性アルミ
ナ質セラミックスが得られる。
【0030】本発明に係る耐摩耗性アルミナ質セラミッ
クスを前記範囲内の組成に限定したのは次の理由によ
る。即ち、Al23の含有量を88重量%以上95重量%
未満としたのは、Al23含有量が88重量%未満では、
焼結体内部に生成するガラス相や第2相の量が多くな
り、焼結体の強度、硬度が低下し、耐衝撃性及び耐摩耗
性が低下するので好ましくない。また、Al23含有量
が95重量%以上では、焼結体内部に生成するガラス相
の量が少なくなり過ぎて焼結性が低下するだけでなく、
焼成温度の上昇に伴いアルミナ結晶粒界にガラス相の偏
析を生じ易く、異常粒成長の原因になったり、硬度、靭
性、強度の低下をきたすので好ましくないからである。
【0031】また、前記副成分であるSiO2、MgO及
びCaOは、焼結助剤として添加されるが、これらの副
成分はアルミナ結晶粒界に主としてガラス相として存在
し、その結晶粒成長を抑制し、かさ密度の向上及び内部
欠陥を抑制して耐摩耗性を向上させる。副成分の各成分
の含有量を前記範囲に限定したのは、次の理由による。
【0032】即ち、SiO2、MgO及びCaOの含有量が
SiO2 3.6〜10重量%、MgO0.2〜2.5重量%、
CaO 0.2〜2.5重量%の範囲では、Al23結晶との
熱膨張差、濡れ性が適度になり、結晶粒径及び分布のコ
ントロールが容易となるだけでなく、アルミナ結晶粒界
強度、靭性が高くなり、耐衝撃及び耐摩耗性を向上させ
る。しかし、SiO2、MgO及びCaOの含有量が一つで
も前記範囲から外れると、アルミナ結晶粒界強度が低く
なったり、第2相粒子が生成し、相手材との衝撃や摩擦
により結晶粒径の脱粒、靭性の低下を招くほか、結晶が
焼成段階で大きくなったり、異常粒成長を生じ易く、必
然的に結晶粒径の均一性が乏しくなり、耐衝撃性及び耐
摩耗性の低下をきたすので好ましくないので前記範囲と
した。
【0033】具体的には、SiO2の含有量が3.6重量
%未満では、焼結性が低下し、また、10重量%を越え
ると、アルミナ結晶粒界強度の低下が起こるので前記範
囲とした。また、MgOの含有量が0.2重量%未満で
は、結晶粒径の均一性が乏しくなり、その含有量が2.
5重量%を越えると、第2相が析出するので、MgOの含
有量は0.2〜2.5重量%とした。更に、CaOの含有量
が0.2重量%未満では、焼結性が低下し、その含有量が
2.5重量%を越えると、焼結性の低下と異常粒成長を招
くので、CaOの含有量は0.2〜2.5重量%とした。
【0034】また、SiO2、MgO及びCaOの含有量の
含有量の和、即ち、副成分の含有量を5〜12重量%と
したのは、5重量%未満ではアルミナ結晶粒界に存在す
るガラス相の量が少なくなってガラス相の存在が不均一
となり、焼結性の低下や結晶の異常粒成長を生じ、耐衝
撃性及び耐摩耗性の低下が起こるので好ましくない。他
方、副成分の含有量が12重量%を越えると、ガラス相
が多くなりすぎて硬度、靭性及び強度の低下をきたし、
耐衝撃性及び耐摩耗性が低下するので前記範囲とした。
【0035】更に、SiO2、MgO及びCaOの含有量の
和を100としたときの各成分の割合割合、即ち、副成
分の組成をSiO2 72〜85重量%、MgO 3〜25重
量%、CaO 3〜25重量%としたのは、次の理由によ
る。即ち、副成分中のSiO2が72重量%未満では、焼
結性が低下し、85重量%を越えると、ガラス相量が増
加するので、前記範囲とした。また、MgOの含有量が
3重量%未満では、結晶粒径の均一性が乏しくなり、そ
の含有量が25重量%を越えると、第2相が析出するの
で、副成分中のMgOの割合は前記範囲とした。更に、
副成分中のCaOの割合が3重量%未満では、焼結性が低
下し、その含有量が25重量%を越えると、焼結性が低
下するだけでなく結晶が成長し易いので、CaOの含有
量は前記範囲とした。
【0036】本発明の耐摩耗性アルミナ質セラミックス
は、前記成分組成の基本組成物に100重量部に対し
0.01〜15重量部のZrO2を添加することにより、
一段と強度及び靭性を向上させると同時に、アルミナ粒
界ガラス相を均一に分散させると共に、結晶粒径分布を
狭し、焼結体の組織を均一にすることができる。このZ
rO2の添加量を前記範囲としたのは、その添加量が基本
組成物100重量部に対して0.01重量部未満では、
十分な添加効果が得られず、15重量部を超えると、硬
度の低下を生じ、特に安定化剤の添加されていないZr
2粉体を用いると焼結体に単斜晶系ジルコニアが存在
しやすくなり、マイクロクラックの発生が起こって耐摩
耗性、耐衝撃性の低下につながるので好ましくない。前
記ZrO2の添加量は、通常、前記基本組成100重量部
に対して0.01〜15重量部であるが、好ましくは0.
05〜10重量部、より好ましくは0.1〜8重量部が
適当である。
【0037】この場合、添加するZrO2原料はその平均
粒径が1.0μm以下のものを使用するのが好適である。
これは、ZrO2原料の平均粒径が1.0μmを超えると、
焼結体に単斜晶系ジルコニアが存在しやすくなり、マイ
クロクラックの発生が起こって耐摩耗性、耐衝撃性の低
下につながるので好ましくない。また、ZrO2原料とし
ては、希土類元素酸化物等の安定化剤を固溶させたもの
を用いることもできる。この場合、希土類元素酸化物、
例えば、Y23を安定化剤として含むZrO2原料の場
合、Y23の含有量は5モル%以下のものを使用するの
が好ましく、これによりジルコニアの応力誘起変態効果
により靭性の向上を図ることができる。
【0038】本発明によれば、前記の如く、主成分のA
l23に特定の副成分を所定の割合で所定量だけ添加す
ると共に、原料中に含まれる不可避的不純物の量を抑制
することにより、1.0〜5.0μmの範囲内の平均結晶
粒径と、3.60g/cm3以上のかさ密度を有し、しかも、
気孔、仕上げ加工による脱粒などの欠陥が5%以下と少
なく、耐摩耗性に優れたアルミナ質セラミックスを得る
ことができる。
【0039】なお、焼結体の平均結晶粒径が5μmを越
えると硬度の低下等が起こり、耐摩耗性の低下をきたす
ので好ましくない。この焼結体の平均結晶粒径は、好ま
しくは3μm以下、より好ましくは2.5μm以下であ
る。また、耐チッピング性が問題となる場合には耐摩耗
性とのバランスを考慮して5μm以下の範囲内で適宜設
定すれば良い。更に、最大径(累積容積が100%の時の
結晶粒径)が10μmを超える場合には結晶粒径分布が広
く、硬度の低下が起こり、その結果、耐摩耗性の低下に
つながるので好ましくないので、最大径が10μm以
下、より好ましくは8μm以下が好適である。
【0040】また、かさ密度を3.60g/cm3以上とした
のは、かさ密度が3.60g/cm3未満では焼結度が不十分
であると共に欠陥となるポアーが多く存在することにな
り、強度、硬度及び靭性の低下を引き起こすだけでな
く、摩耗が促進されるので好ましくないからである。か
さ密度は、3.65g/cm3以上が好適である。
【0041】本願発明に係るアルミナ質セラミックス
は、結晶粒径が小さく、緻密で欠陥が少ないことから耐
衝撃性、耐摩耗性にすぐれた特性を示す。そのため従来
のAl23含有量が同レベルの焼結体に比べて高強度、
高硬度及び高靭性である。本願発明のアルミナ質セラミ
ックスのビッカース硬さは荷重10kgfにおいて110
0以上の高硬度を示し、また、曲げ強さはじS1601
に規定する3点曲げ法において40kgf/mm2以上の高強
度を有する。更に、粉砕用ボールの様に球状の場合は、
ボール1個を超硬合金板にはさんで応力をかけて測定し
た圧壊強さが25kgf/mm2以上である。この圧壊強さ(σ
c)は式:σc=4×P/(π×D2)(kgf/mm)で得
られる。式中、Pは破壊強度(kgf)、Dはボール直径(mm)
である。
【0042】ビッカース硬さが1100未満の場合には
耐摩耗性の低下をきたすので好ましくない。また、曲げ
強さが40kgf/mm2未満もしくは圧壊強さが25kgf/mm2
未満の場合には耐衝撃性及び耐摩耗性の低下につながる
ので好ましくない。さらに、破壊靭性はJIS1607(IF
法)に規定する測定方法において3.0MPa√m以上であ
る。
【0043】
【実施例1】各原料を表1,表2に示す組成の焼結体が
得られるように配合し、得られた各混合物を92%アル
ミナ製ポットミル(内容積7.2リットル)と20mmφ
の92%アルミナ製粉砕ボールを用いて濃度60%で4
8時間湿式粉砕し、表3,表4に示す平均粒径を有し比
表面積が8m2/g以上の微粉末を含むスラリーを得た。得
られたスラリーにポリビニルアルコール水溶液を3〜5
重量%バインダとして添加して粘度を350cpsに調整
し、これを200゜Cに維持したスプレードライヤーで乾
燥・造粒して成形用粉体を得た。この成形用粉体を成形
圧力1tonf/cm2(試料No.20および38のみ成形圧
力:300kgf/cm2)でCIP成形法により球状及び板状に
成形した。得られた成形体を1380〜1600゜Cで焼
成して、直径10mmのボール及び50×50×4mmの板
を得た。ボールはバレル研磨して粉砕用ボールとし、板
は切断及び研削加工を行ってJIS1601に規定する
曲げ強さ測定用テストピースとした。
【0044】アルミナ原料としては、試料No.1〜2
1、24〜39については、凝集した二次粒径45μ
m、比表面積2.5m2/g、純度99.6%のバイヤー法より
作製されたローソーダアルミナ原料を、また、試料No.
22については平均粒径1.0μm、比表面積6m2/g、純
度99.8%のリアクティブアルミナ原料を、更に、試料
No.23については二次粒径55μm、比表面積1.5m2/
g、純度99.7%のバイヤー法により作製されたローソ
ーダアルミナ原料をそれぞれ用いた。
【0045】また、MgO及びCaOの原料としては、純
度99.5%の炭酸塩を使用し、SiO2の原料としては
カオリンを使用した。また、ZrO2の原料としては試料
5、8、10、15及び25については平均粒径1.0
μm、比表面積12m2/g、純度99.9%の二酸化ジルコ
ニウムを用い、試料13についてはY23を2.8モル%
含有する平均粒径0.5μm、比表面積18m2/gの二酸化
ジルコニウムを用いた。
【0046】更に、得られた各粉砕用ボールを用いて下
記の方法により耐摩耗テストした。即ち、粉砕用ボール
を容量2リットルのアルミナ製(純度92%)ボールミル
中にその容積の半分まで入れ、平均粒径25μm、比表
面積1.2m2/gのアルミナ原料粉体900gと水0.7リ
ットルを入れて、ボールミル回転数100rpmで24時
間粉砕した。テスト前後のボール重量差をテスト前のボ
ール重量に対する百分率で求め、これを摩耗率とした。
得られた結果を、粉砕用ボールのかさ密度、結晶粒径、
欠陥量、ビッカース硬さ及び曲げ強さ、並びに成形体の
かさ密度、粉砕粉体の平均粒径及び比表面積と共に表
3,表4に示す。曲げ強さは板より加工したテストピー
スにより測定した。
【0047】
【表1】
【表2】
【0048】
【表3】
【表4】
【0049】表1,表2中、ZrO2の量はアルミナ、焼
結助剤及び不可避的不純物からなる基本組成物100重
量部に対する添加量(重量部)で示してある。また、表
1,表2及び表3,表4中、試料No.1〜17の焼結体
は本発明の条件を満足するものであり、試料No.18〜
39は本発明において規定する条件を少なくとも1つを
満たしていない本発明の範囲外のものである。
【0050】平均結晶粒径は、焼結体をダイヤモンド砥
石で#140→#400→#600の順に研削加工した
後、更にダイヤモンド砥粒で40μm→6μm→3μm→
1μmと順に研磨加工して鏡面に仕上げ、これを熱エッ
チングし、ついで走査電子顕微鏡で視野に結晶が100
個以上観察できる倍率で観察して写真撮影し、その写真
から画像解析により1個の結晶の面積を測定し、等価円
直径(D)に換算してD×1.5をその結晶の粒径とし、こ
の様にして100個の結晶の結晶粒径を測定し、この値
に基づいて結晶の容積を算出し、累積容積が50%の時
の結晶粒径を平均結晶粒径とした。
【0051】また、焼結体の欠陥量は、測定に供する試
料は結晶粒径測定と同じようにして鏡面仕上げし、この
鏡面仕上げした面をそのままの状態で走査電子顕微鏡に
て500倍の倍率で観察して写真撮影を行い、その写真
を画像解析にて欠陥部分と欠陥でない部分とに二値化し
て分離し、欠陥部分が占める面積率(%)を求め、これを
焼結体の欠陥量とした。この欠陥には、気孔だけでな
く、焼結体を前記研削及び研磨加工仕上げする際に発生
する脱粒の後や、焼結体密度に影響を与えないレベルの
欠陥も含まれる。本発明に係るアルミナ質セラミックス
(試料No.1)及び本発明の範囲外のアルミナ質セラミ
ックス(試料No.22)の鏡面仕上げした面の走査電子
顕微鏡写真を画像解析にて欠陥部分と欠陥でない部分と
に二値化した図を図1及び図2にそれぞれ示す。図中、
黒い部分が欠陥を示す。
【0052】表3,表4に示す結果から明らかなよう
に、本発明に係るアルミナ質セラミックス製粉砕用ボー
ルは、摩耗率が0.1%以下と優れた耐摩耗性を示し、ま
た、図1及び2に示す結果から、本発明に係るアルミナ
質セラミックスは欠陥量が0.5%と極めて少ないのに対
し、試料No.22は欠陥量が9.6%と極めて大きいこと
がわかる。また、試料番号38及び39の結果から、成
分組成が本発明の範囲内であっても欠陥量が多ければ耐
摩耗性が低下し、また、その欠陥量はその製造過程での
粉砕後の平均粒径及び成形体のかさ密度に左右されるこ
とがわかる。
【0053】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、a)強度、硬度、靭性及び耐衝撃性が優れてい
るので高負荷での耐摩耗性が良好である、b)粉砕機用部
材として使用した場合に耐摩耗性に優れているため、被
粉砕物への摩耗粉の混入が少なく、また摩耗粉が混入す
る場合にも、摩耗粉が微細な ため被粉砕物の均一性を
害することが少ない、c)原料として安価なアルミナを使
用できるなど優れた性質を有する耐摩耗性アルミナ質セ
ラミックスが得られる。
【0054】従って、本発明に係る耐摩耗性アルミナ質
セラミックスは、粉砕・分散用メディア、粉砕機の内張
材、容器、撹拌機等の粉砕機用部材だけでなく、各種産
業用耐摩耗部材として最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る耐摩耗性アルミナ質セラミック
スの鏡面仕上げした面の二値化像を示す説明図
【図2】 本発明の範囲外の耐摩耗性アルミナ質セラミ
ックスの鏡面仕上げした面の二値化像を示す説明図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−206514(JP,A) 特開 平1−286957(JP,A) 特開 昭62−252364(JP,A) 特開 昭61−101456(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/10 - 35/119

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al23 88重量%以上95重量%未
    満、SiO2 3.6〜10重量%、MgO 0.2〜
    2.5重量%、CaO 0.2〜2.5重量%、及び不
    可避的不純物0.5重量%以下からなり、副成分である
    前記SiO2、MgO及びCaOの含有量の和が5〜1
    2重量%であって、当該副成分のSiO2、MgO及び
    CaOの含有量の和を100としたとき各成分の割合が
    SiO2 72〜85重量%、MgO 3〜25重量%、
    CaO 3〜25重量%であって、前記不可避的不純物
    のうちアルカリ金属酸化物0.4重量%以下、TiO2
    0.2重量%以下、前記副成分がアルミナ結晶粒界にガ
    ラス層として存在し、平均結晶粒径1.0から5.0μ
    m、かさ密度3.60g/cm3以上、ビッカース硬さ
    1100以上、曲げ強さ40kgf/mm2以上であるこ
    とを特徴とする耐摩耗性アルミナ質セラミックス。
  2. 【請求項2】 Al23 88重量%以上95重量%未
    満、SiO2 3.6〜10重量%、MgO 0.2〜
    2.5重量%、CaO 0.2〜2.5重量%、残部実
    質的に不可避的不純物からなる基本組成物100重量部
    に対しZrO2を0.01〜15重量部含有する請求項
    1に記載の耐摩耗性アルミナ質セラミックス。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の耐摩耗性アルミ
    ナ質セラミックスを製造するに際し、当該アルミナ質セ
    ラミックスを構成する各構成元素の化合物からなる原料
    粉末を所定の割合で配合し、その混合物を平均粒径0.
    5〜1.0μm粉末に微粉砕し、得られた微粉末を所定
    形状に成形してかさ密度1.90〜2.10g/cm3
    成形体を得、これを焼成することを特徴とする請求項1
    に記載の耐摩耗性アルミナ質セラミックスの製造方法。
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