JPH02180747A - 耐摩耗性アルミナセラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、耐摩耗性アルミナセラミックスおよびその製
造方法に関し、さらに詳しくは、特に高硬度、耐摩耗性
、耐エロージヨン性などが要求される機械部品、粉砕機
用部材などとして好適な耐摩耗性アルミナセラミックス
およびその製造方法にする。

なお、本明細書においては、“％”とあるのは、全て“
重量％°を意味する。

従来技術とその問題点 従来、耐摩耗性アルミナセラミックスとしては、アルミ
ナ含有量９０％程度の材料に粘土などの添加剤を加え、
焼成したものが使用されてきたく例えば、“窯業工学ハ
ンドブック（新版）”　（株）技報堂、（昭和４１年１
２月２５日発行）、第１２６２頁）。しかしながら、こ
のセラミックスは、硬度が低く、結晶組織が不均一であ
るため、耐摩耗性が十分でないという欠点がある。

最近、アルミナ９９．９％以上の高純度アルミナを使用
する耐摩耗性アルミナセラミックスも提案されている。

しかしながら、焼結工程で結晶粒径が大きくなるため、
耐摩耗性はやはり満足すべきものとはいえない。高純度
アルミナ原料にＴｉＣなどの非酸化物を添加し、ポット
プレスして得たものは、十分な耐摩耗性を発揮するが、
非酸化性雰囲気中で加圧下に焼成を行なう必要があるた
め、製造コストが極めて高いという問題点がある。

問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如き従来技術の問題点に鑑みて、鋭
意研究を重ねてきた。その過程において、従来、耐摩耗
性には劣るものの、安価であるために耐摩耗用部材とし
て広く使用されてきたアルミナ焼結体に着目し、その耐
摩耗性を向上させるべく研究を重ねた結果、アルミナ焼
結体の粒界成分、結晶粒径、密度、硬度などを特定の範
囲内に制御することにより、耐摩耗性に極めて優れたア
ルミナ焼結体が得られることを見出した。

すなわち、本発明は、下記に示す耐摩耗性アルミナセラ
ミックスおよびその製造方法を提供するものである： ■マグネシアとシリカとを合計０．０２５〜０．１２％
含有し、Ｍ　ｇ　Ｏ／　Ｓ　ｉ　０２　　（モル比）が
２〜１５であり、残部がアルミナからなる焼結体であっ
て、密度３．９０　ｇ　／　ｃｔｓ３、平均結晶粒径１
．５μｍ以下且つ硬度１９００ｋｇｆ／ｖｓ２以上であ
ることを特徴とする耐摩耗性アルミナセラミックス。

■平均結晶子径０．０５〜０．３μｍのα−アルミナ粉
末に、マグネシアとシリカとの合計含有量が０．０２５
〜０．１２％となり且つＭｇＯ／５ｉＯｚ　　（モル比
）が２〜１５となるように平均粒径０．３μｍ以下のマ
グネシアとシリカとを加えて粉砕混合し、成形した後、
１３００〜１５５０℃で焼成することを特徴とする耐摩
耗性アルミナセラミックスの製造方法。

■マグネシアおよびシリカ成分をＭｇおよびＳＬを含有
する溶液、ゾルまたはゲルの状態で添加する上記類（２
）に記載の耐摩耗性アルミナセラミックスの製造方法。

■アルミナ水和物またはアルミナにＭｇおよびＳｉを含
有する溶液、ゾルまたはゲルを添加し、焼成することに
より得たマグネシアとシリカとの合計含有量が０．０２
５〜０．１２％且つＭｇＯ／ＳｉＯ２（モル比）が２〜
１５で平均結晶子径０．０５〜０６３μｍのα−アルミ
ナ粉末を成形した後、１３００〜１５５０℃で焼成する
ことを特徴とする耐摩耗性アルミナセラミックスの製造
方法。

■アルミナ水和物またはアルミナにＭｇを含有する溶液
、ゾルまたはゲルを添加し、焼成することにより得たマ
グネシアを含有する平均結晶子径０．０５〜０．３μｍ
のα−アルミナ粉末に、マグネシアとシリカとの合計含
有量が０．０２５〜０．１２％となり且つＭｇＯ／Ｓｉ
Ｏ２　（モル比）が２〜１５となるように平均粒径０．
３μｍ以下のシリカを加えて混合分散させ、成形した後
、１３００−１５５０℃で焼成することを特徴とする耐
摩耗性アルミナセラミックスの製造方法。

以下、本発明の耐摩耗性アルミナセラミックスが具備す
べき要件とそれに基く効果などについて詳細に説明する
。なお、本発明の効果自体は、必ずしも単一の要件のみ
により達成されるものではなく、二辺上の要件により相
乗的に達成される場合もある。従って、以下の記載は、
必ずしも発明の構成と効果との対応を完全に説明するも
のではないことを付言しておく。

（１）アルミナ焼結体中のマグネシアとシリカの合計量
を０．０２５〜０．１２％且つＭｇＯ／ＳｉＯ２（モル
比）を２〜１５の範囲内とする。

本発明者の研究によれば、アルミナ原料にアルミナの機
械的特性を阻害しない範囲内で特定量のマグネシアとシ
リカとを添加して、焼結する場合には、緻密化の過程で
アルミナ結晶粒界にスピネル結晶（Ｍ　ｇ　Ａ　１２０
４　）とマグネシウム・シリケートおよび／またはマグ
ネシウム・アルミニウム・シリケートのガラス相が形成
され、その結果、アルミナ結晶の粒成長が抑制され、結
晶組織が均一となって、緻密化が一層促進されることが
判明した。

アルミナ原料に添加するマグネシアとシリカの合計ｎが
、アルミナ焼結体中の０．０２５％未満となる量である
場合には、アルミナ結晶の粒成長抑制の効果が十分発揮
されない。一方、０．１２％を上回る場合には、緻密化
が阻害されるので、空孔の増大抑制または緻密化の促進
のために、高温で焼成しなければならない。その結果、
アルミナ結晶粒径が大きく且つ不均一となるので、アル
ミナ結晶粒の粒界が優先的に破壊されて生じる摩耗、す
なわち、粒子離脱摩耗が生じ易くなる。

アルミナ焼結体中のマグネシアとシリカの合計量は０．
０３〜０．１％であることがより好ましい。

また、シリカを単独で添加する場合或いはＭｇＯ／５ｉ
Ｃ）ｚ　　（モル比）が２未満である場合には、スピネ
ル結晶の生成量が少なくなり、一方、マグネシアを単独
で添加する場合或いはＭ　ｇ　Ｏ／ＳｉＯ２（モル比）
が１５を上回る場合には、シリケート相の生成量が少な
くなって、いずれの場合にも、均一で微細な結晶組織を
有する高硬度のアルミナ焼結体は得られない。

アルミナ焼結体中のＭｇＯ／ＳｉＯ２（モル比）は、３
〜１５であることがより好ましい。

（２）アルミナ焼結体の密度を３−９０ｇ／ｃｍ３以上
とする。

アルミナ焼結体の耐摩耗性は、その密度によっても、大
きく影響され、密度が低い程、摩耗量は増大する。これ
は、密度が低い程、粒内、粒界などに存在する空孔が多
くなり、この空孔が摩耗の起点となって、結晶粒離脱摩
耗が促進されるためと推考される。

従って、本発明では、アルミナ焼結体の密度を３．９０
ｇ／ｃｍ３以上とし、より好ましくは３．９２ｇ／ｃａ
＋３以上とする。

（３）アルミナ焼結体中のアルミナ結晶の平均粒径を１
．５μｍ以下とし、ビッカース硬度を１９００ｋｇｆ／
ａｒｍ２以上とする。

焼結体中のアルミナ結晶の粒径が大きい場合には、同一
組成の焼結体では、粒界中が広くなったり、低硬度とな
ったりする。その結果、前述の結晶粒離脱摩耗が発生し
易くなり、摩耗量が増大するものと推考される。本発明
者の研究によれば、平均結晶粒径を１．５μｍ以下且つ
ビッカース硬度を１９００ｋｇｆ／ａ＋ｗ２以上とする
ことにより、耐摩耗性が著しく改善されることが判明し
た。

アルミナ焼結体中のアルミナ結晶の平均粒径は１．２μ
ｍ以下とし、ビッカース硬度を１９５０ｋｇｆ／ａｍ２
以上とすることがより好ましい。

なお、本発明のアルミナ焼結体を製造するに際し、焼成
温度が１３００℃未満の場合には、焼結不十分となって
、密度が低くなり、一方、１５５０℃を上回る場合には
、粒成長が著しくなるので、焼結体の特性が低下する。

従って、焼成を１３００〜１５５０℃の範囲で行なうこ
とを必須とする。焼成は、１３００〜１５００℃の範囲
で行なうことがより好ましい。

（４）原料として使用するα−アルミナ粉末の平均結晶
子径を０．０５〜０．３μｍとし、且つマグネシアおよ
びシリカの平均粒径を０．３μｍ以下とする。

α−アルミナ粉末が０．０５μｍ未満である場合には、
凝集を生じ易いので、成形性が低下して、焼結体に空孔
などの欠陥を生じ易くなる。一方、α−アルミナ粉末が
０．３μｍを上回る場合には、焼結体の結晶粒径が大き
くなり、低硬度となって、耐摩耗性が低下する。α−ア
ルミナ粉末の平均結晶子径は、０．０５〜０．２μｍで
あることがより好ましい。

マグネシアおよびシリカの平均粒径が、α−アルミナ粉
末のそれよりも大きい場合には、原料粉の均一な分散が
困難となるため、良好な特性を有するアルミナ焼結体が
得られない。従って、マグネシアおよびシリカの平均粒
径は、０．３μｍ以下とする必要があり、より好ましく
は０．２μｍ以下とする。使用ｍが少ないマグネシアお
よびシリカの場合には、粒径が小さ過ぎても、成形性を
阻害しないので、粒径に下限はない。

本発明による耐摩耗性アルミナセラミックスは、例えば
、下記の様にして製造される。好ましくはアルコキシド
法、明パン法などにより製造された純度９９．９％以上
のα−アルミナ粉末にマグネシアとシリカとを加え、常
法に従って、ボールミルなどの粉砕機を使用して乾式ま
たは湿式で均一に粉砕混合し、乾燥して原料粉体を得る
。次いで、常法に従って、鋳込み成形、射出成形、押出
成形、プレス成形などの方法で所定の形状に成形した後
、常圧下に１３００〜１５５０℃で焼成し、アルミナ焼
結体を得る。成形に際して、必要ならば、スラリーを調
製したり、成形助剤を使用して予備造粒したりすること
は、常法と同様である。

なお、マグネシア成分とシリカ成分は、アルミナ成分と
の混合分散性を改善するために、ＭｇとＳｉとを含有す
る溶液、ゾルまたはゲルの状態でα−アルミナ粉末また
はアルミナ水和物に添加した後、１３００℃未満で焼成
することにより得られたＭｇおよびＳＬ含含有−アルミ
ナ粉末（０，０５〜０．３．ｃｚｍ）を成形し、次いで
常圧下に１３００〜１５５０℃で焼成しても良い。或い
は、Ｍｇを含有する溶液、ゾルまたはゲルの状態でα−
アルミナ粉末または水和アルミナにＭｇを添加した後、
１３００℃未満で焼成することにより得られたＭｇ含含
有−アルミナ粉末（０，０５〜０．３μｍ）にシリカ粉
末を粉砕混合させ、成形し、次いで常圧下に １３００〜１５５０℃で焼成しても良い。

なお、上記の焼結体の製造に際しては、成形助剤、水な
どの純度および種類の選択、粉砕機器類、焼成治具など
の選択などを適宜行なうことにより、焼結体の特性に悪
影響を及ぼす不純物の混入を防止することが望ましい。

また、焼結体の結晶粒径、密度、硬度などを所定の範囲
内とするためには、（イ）焼結過程で粒成長を促進する
Ｔ　ｉ　０２、Ｎａ２０などの混入を防止する、（ロ）
粉砕などの処理により、原料を微粉砕して、焼結性を改
善する、（ニ）焼結前の成形体の密度を１．６０ｇ／ｃ
１１３以上としておくことなどが好ましい。

発明の効果 本発明によれば、粒界成分、結晶粒径、密度、硬度など
を特定の範囲内に制御することにより、緻密で、高硬度
の耐摩耗性に極めて優れたアルミナ焼結体が得られる。

また、その製造に際しては、常圧下での焼結を行なうだ
けでも、耐摩耗性に優れた焼結体が得られる。

実施例 以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とする
ところをより一層明確にする。

実施例１ 純度９９．９９５％のα−アルミナ粉末と平均粒径０．
２μｍ以下のマグネシア粉末とシリカ粉末とを下記第１
表に示す割合で配合し、ボールミルにて１０時時間式粉
砕混合した後、成形助剤としてアクリル酸共重合体を原
料重金の３％加え、スプレードライヤーで平均粒径６０
μｍに整粒して、成形用粉体を得た。

第１表に（Ｉ）α−アルミナ粉末の平均結晶子径（μｍ
）、（ＩＩ）原料中に占めるマグネシア粉末とシリカ粉
末と割合（％）、および（ｍ）Ｍ　ｇ　Ｏ／　Ｓ　ｉ　
０２　　（モル比）を示す。

なお、第１表において、Ｎｏ、１．２および４が、実施
例であり、その他は比較例である。

第１表 （Ｉ）　　（ＩＩ） （ＩＩ） ０、　０４０ ０、　０５５ ０、　０７０ ０、　０９０ ０．１５０ ０．０７５ ０、　０６５ （ＭｇＯのみ） ３、５ ６、７５ １、１３ 次いで、この粉体を２ｔｏｎ／ｃｄの成形圧で６５ｍｍ
ｘ６５ｍｎｉ　Ｘ　？關の板状にＣＩＰ成形し、下記第
２表に示す条件で常圧下に焼成した。

得られた焼結体わ（ＩＶ）密度（ｒ／ａｍ３）、（Ｖ）
平均結晶粒径（μ…）、（Ｖｌ）マイクロビッカース硬
度（ｋｇｆ／ａｍ２）および（■）耐摩耗性（重量減：
ｇ）を下記第３表に示す。

第３表は、以下の実施例２および実施例３で得られた焼
結体についての結果をも併せて示す。第３表において、
試料Ｎα１．３．６．　１０及び１１が実施例であり、
他は比較例である。

なお、マイクロビッカース硬度は、５００ｇ荷重にて測
定した。また、耐摩耗性は、ダイヤモンド砥石により、
焼結体を研削した後、表面粗さＲＩａｘ　＝０．　８μ
ｍ以下に仕上げした５０＋ｕ＋　Ｘ　５０ｍＩＩＸ５ｍ
ｍの焼結体に電融アルミナ粒（３５〜６０メツシユ）を
５ｋｇｆ／ｅｊの圧力で１０分間吹付け、焼結体の重量
減を測定した。

実施例２ 純度９９．９９５％のα−アルミナ粉末に、原料中のマ
グネシアとシリカとの合計量がｏ、ｏｅｏ％、ＭｇＯ／
ＳｉＯ２　　（モル比）が５となる様に、硝酸マグネシ
ウム溶液とケイ酸エチル溶液とを配合した後、実施例１
と同様にして、成形体を作成し、第２表に示す条件で常
圧下に焼成した。

実施例３ アルミナ水和物に、原料中のマグネシアとシリカとの合
計量が０．０５０％、ＭｇＯ／５ｉＯｚ　　（モル比）
が７となる様に、硝酸マグネシウム溶液とケイ酸エチル
溶液とを配合し、乾燥した後、１２００℃で焼成して、
α−アルミナ粉末を得た。得られたα−アルミナ粉末を
ボールミルにて平均結晶子径が０．１５μｍとなるまで
湿式粉砕し、以後実施例１と同様にして、成形体を作成
し、第２表に示す条件で常圧下に焼成した。

第２表 第３表 試料阻 使用粉末 焼成温度 （”Ｃ’） 試料Ｎｏ、　　（ＩＶ） （Ｖ） （ＶＴ） （■） Ｉ Ｎα２ Ｎｏ、　２ Ｎａ、２ 陽、３ ＮＱ、４ Ｎｏ、　５ Ｎａ６ Ｎｏ、７ 実施例２ 実施例３ ３．９７ ３．７８ ３．９７ ３．９７ ３．８８ ３．９７ ３．８６ ３．９７ ３．９７ ３．９７ ０．０５ ０．３２ ０．０３ ０．５８ ０．０５ ０．２８ ０．５１ ０．３２ ０．０４ ０．０４ 第３表に示す結果から明らかなように、成形体 の焼成温度が１３００℃未満である場合には（試料患２
）、焼結が不十分となり、密度、硬度および耐摩耗性が
低い。

また、成形体の焼成温度が１５５０℃を上回る場合には
（試料徹４）、密度は高くなるものの、平均結晶粒径が
大きくなり、硬度および耐摩耗性が劣っている。

さらに、ＭｇＯ／ＳｉＯ２（モル比）が２未満である場
合には（試料ＮＯ，５）、密度および硬度が低く、耐摩
耗性が劣っている。

マグネシアとシリカの含有量が０．１２％を上回る場合
には（試料Ｎｏ、７）　、粒界の特性が不良であるため
、耐摩耗性が劣っている。

α−アルミナ粉末の平均結晶子径が０．３μｍを上回る
場合には（試料ＮＧ、８）　、密度、硬度および耐摩耗
性のいずれもが劣るものとなっている。

また、マグネシアのみを配合する場合には（試料１１ｈ
９）　、密度および平均結晶粒径は好ましい範囲のもの
が得られるが、結晶組織が、不均一であり、低硬度とな
るため、耐摩耗性が低下した。

これに対し、本発明の要件を全て充足する試料Ｎα１，
３，６．１０および１１の場合には、優れた耐摩耗性を
発揮することが出来る。

実施例４ 焼成物中のアルミナ、マグネシア及びシリカの合計ｆｆ
ｆｆ１中のマグネシア及びシリカの合計量がＬＯ６５％
となる様に且つＭｇＯ／ＳｉＯ２　（モル比）が１０と
なる様に、アルミナ水和物、硝酸マグネシウム溶液およ
びケイ酸エチル溶液を秤量した。

次いで、アルミナ水和物に硝酸マグネシウム溶液を混合
し、乾燥し、１２００℃で焼成して、Ｍｇ含含有−アル
ミナ粉末を得た後、ケイ酸エチル溶液を加え、混合し、
ボールミルにて平均結晶子径が０．１μｍ以下となるま
で湿式粉砕し、実施例１と同様にして成形し、１３５０
℃で常圧下に焼成した。

得られた焼結体の物性は、以下の通りの優れたものであ
った。

密度＝３．９７ｇ／ｃｍ３、平均結晶粒径：０　、８　
μｍ　ｓ硬度：　２１４０ｋｇｆ／ｍｍ２耐摩耗性：０
．０３ｇ 実施例５ 実施例３の第２表の試料に３及び５と同様の条件で粉末
を成形し、直径５ｍｍのボールを製造し、その表面をバ
レル研摩した。

かくして得たボールを容量５Ｑのアトリションミル中に
３．５Ｑ入れ、さらに水１．６Ｑとジルコニア粉１．６
ｋｇを加えた後、アトリションミルを２０Ｏｒｐｍで８
時間運転して、ボールの摩耗量を求めた。

試料陽、３によるボールの１時間当りの摩耗量は、２０
ｐｐｍであったのに対し、試料Ｎｏ、５によるボールの
１時間当りの摩耗量は、１９００ｐｐｍであった。

この結果からも明らかな様に、本発明によるアルミナセ
ラミックスは、粉砕用ボールとした場合にも、優れた耐
摩耗性を発揮する。

（以　上）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）マグネシアとシリカとを合計０．０２５〜０．１
   ２％含有し、ＭｇＯ／ＳｉＯ＿２（モル比）が２〜１５
   であり、残部がアルミナからなる焼結体であって、密度
   ３．９０ｇ／ｃｍ＾３、平均結晶粒径１．５μｍ以下且
   つ硬度１９００ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上であることを特徴
   とする耐摩耗性アルミナセラミックス。
2. （２）平均結晶子径０．０５〜０．３μｍのα−アルミ
   ナ粉末に、マグネシアとシリカとの合計含有量が０．０
   ２５〜０．１２％となり且つＭｇＯ／ＳｉＯ＿２（モル
   比）が２〜１５となるように平均粒径０．３μｍ以下の
   マグネシアとシリカとを加えて粉砕混合し、成形した後
   、１３００〜１５５０℃で焼成することを特徴とする耐
   摩耗性アルミナセラミックスの製造方法。
3. （３）マグネシアおよびシリカ成分をＭｇおよびＳｉを
   含有する溶液、ゾルまたはゲルの状態で添加する請求項
   （２）に記載の耐摩耗性アルミナセラミックスの製造方
   法。
4. （４）アルミナ水和物またはアルミナにＭｇおよびＳｉ
   を含有する溶液、ゾルまたはゲルを添加し、焼成するこ
   とにより得たマグネシアとシリカとの合計含有量が０．
   ０２５〜０．１２％且つ ＭｇＯ／ＳｉＯ＿２（モル比）が２〜１５で平均結晶子
   径０．０５〜０．３μｍのα−アルミナ粉末を成形した
   後、１３００〜１５５０℃で焼成することを特徴とする
   耐摩耗性アルミナセラミックスの製造方法。
5. （５）アルミナ水和物またはアルミナにＭｇを含有する
   溶液、ゾルまたはゲルを添加し、焼成することにより得
   たマグネシアを含有する平均結晶子径０．０５〜０．３
   μｍのα−アルミナ粉末に、マグネシアとシリカとの合
   計含有量が０．０２５〜０．１２％となり且つＭｇＯ／
   ＳｉＯ＿２（モル比）が２〜１５となるように平均粒径
   ０．３μｍ以下のシリカを加えて混合分散させ、成形し
   た後、１３００〜１５５０℃で焼成することを特徴とす
   る耐摩耗性アルミナセラミックスの製造方法。