JPH07206514A - 耐摩耗性アルミナ質セラミックス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、安価な原料を用いて、優れた耐摩耗
性を有するアルミナ質セラミックスを得ることを主な目
的とする。 【構成】本発明は、i)a)Ａｌ₂ Ｏ₃ を９５〜９８重量
％、及び b)ＳｉＯ₂ ４０〜８５重量％、ＭｇＯ１０〜５５重量％
及びＣａＯ５〜５０重量％の三成分からなる焼結助剤を
２〜５重量％、 含有するアルミナ焼結体からなり、 ii) 結晶粒径（Ｄ）がＤ（２５容積％）≧０．８μｍ、
１．０μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦３．０μｍ、Ｄ（８０
容積％）≦４．５μｍであり、 iii)ビッカース硬さが１３５０以上、 iv) かさ密度が３．７０ｇ／ｃｍ³ 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、並びに、上記成分に加えて、更にＺｒＯ₂ 成分を含
有する耐摩耗性アルミナ質セラミックスを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性アルミナ質セラ
ミックスに関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】セラミックスは、金属と比
べて耐食性及び耐摩耗性に優れたものであり、従来、金
属が使用されていた耐摩耗部材として、セラミックスが
使用されるようになってきた。この様な耐摩耗部材とし
て用いるセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニ
ア、窒化珪素、炭化珪素等が使用されているが、その中
でもアルミナは硬度が高く、耐食性に優れ、他のセラミ
ックスに比べて安価であることから広く使用されるよう
になってきた。しかしながら従来の耐摩耗性アルミナセ
ラミックスとしては、アルミナ含有量が９０〜９２重量
％程度ものが用いられており、不純物を多く含有するた
めに、アルミナ結晶以外にガラス相を多く含むものとな
り、耐摩耗部材としては十分な特性を有するものではな
かった。そこで、例えば、特開昭６２−１８７１５７号
公報に示されているように、アルミナ含有量を９９．９
％以上とすることで、ガラス相等のアルミナ結晶以外の
第２相量をほとんど含有しない高強度、高硬度としたア
ルミナ質セラミックスが開発されているが、高純度のア
ルミナ原料を使用するためコストが非常に高くなるとい
う問題点を有している。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した如
き従来技術の問題点に鑑みて、安価な原料を用いて優れ
た耐摩耗性を有するアルミナ質セラミックスを得るべく
鋭意研究を重ねてきた。その結果、アルミナ質セラミッ
クスにおいて、アルミナ純度を一定の範囲とすると共
に、特定の配合の焼結助剤を一定量用い、更に、焼結体
の結晶粒径、硬さ及び密度を一定の範囲の値となるよう
に制御したアルミナ質セラミックスは、極めて優れた耐
摩耗性を有するものとなることを見出し、ここに本発明
を完成するに至った。

【０００４】即ち、本発明は、下記の耐摩耗性アルミナ
質セラミックスを提供するものである。

【０００５】１． i)a)Ａｌ₂ Ｏ₃ を９５〜９８重量％、及び b)ＳｉＯ₂ ４０〜８５重量％、ＭｇＯ１０〜５５重量％
及びＣａＯ５〜５０重量％の三成分からなる焼結助剤を
２〜５重量％、 含有するアルミナ焼結体からなり、 ii) 結晶粒径（Ｄ）がＤ（２５容積％）≧０．８μｍ、
１．０μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦３．０μｍ、Ｄ（８０
容積％）≦４．５μｍであり、 iii)ビッカース硬さが１３５０以上、 iv) かさ密度が３．７０ｇ／ｃｍ³ 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。

【０００６】２． i)a)Ａｌ₂ Ｏ₃ 、b)ＳｉＯ₂ ４０〜８５重量％、ＭｇＯ
１０〜５５重量％及びＣａＯ５〜５０重量％の三成分か
らなる焼結助剤の各成分、並びにc)ＺｒＯ₂を含み、Ｚ
ｒＯ₂ 分を除いた成分中のＡｌ₂ Ｏ₃ 量が９５〜９８重
量％、焼結助剤の各成分の合計量が２〜５重量％であっ
て、ＺｒＯ₂ 分を除いた焼結体の合計量１００重量部に
対して、ＺｒＯ₂ を２０重量部以下含有するアルミナ焼
結体からなり、 ii) 結晶粒径（Ｄ）がＤ（２５容積％）≧０．８μｍ、
１．０μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦３．０μｍ、Ｄ（８０
容積％）≦４．５μｍであり、 iii)ビッカース硬さが１３５０以上、 iv) かさ密度が３．７０ｇ／ｃｍ³ 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。

【０００７】以下に、本発明耐摩耗性アルミナ質セラミ
ックスが満足すべき要件について、具体的に示す。

【０００８】ａ）Ａｌ₂ Ｏ₃ の含有量を９５〜９８重量
％とする。

【０００９】焼結体中のアルミナ含有量は９５〜９８重
量％とすることが必要であり、これによって、高い耐摩
耗性を有する焼結体が得られる。アルミナ含有量が９５
重量％未満の場合には、焼結体中の不純物量が増加し、
アルミナ結晶以外の結晶やガラス相がアルミナ結晶粒界
に多く生成して硬さの低下をきたし、耐摩耗性が低下す
るので好ましくない。また、アルミナ含有量が９８重量
％を越えると、焼結性が悪くなり、緻密に焼結させるた
めに高温での焼成が必要となり、その結果、結晶粒径が
大きくなって耐摩耗性が低下するので好ましくない。従
って焼結体中のアルミナ含有量は９５〜９８重量％と
し、好ましくは９５．５〜９７．５重量％とする。

【００１０】ｂ）ＳｉＯ₂ ４０〜８５重量％、ＭｇＯ１
０〜５５重量％及びＣａＯ５〜５０重量％の三成分から
なる焼結助剤の各成分を合計量として２〜５重量％含有
する。

【００１１】ＳｉＯ₂ ４０〜８５重量％、ＭｇＯ１０〜
５５重量％及びＣａＯ５〜５０重量％の三成分からなる
焼結助剤を用いることによって、焼結性が向上し、粒成
長が抑制される。また、アルミナ結晶粒界に適度なガラ
ス相が形成され、靭性の向上にも効果がある。使用する
焼結助剤は、上記組成のＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ及びＣａＯの
三成分からなることが必要であり、組成がこの範囲から
外れると焼結性が低下したり、焼結体中にアルミナ以外
の結晶やガラス相が多く生成して、硬さ、強度、靭性等
の低下をきたすので好ましくない。

【００１２】得られる焼結体中では、上記焼結剤の各成
分を上記した焼結助剤と同様の組成比率の範囲内で含有
すると共に、各成分の合計量が焼結体中の２〜５重量％
であることが必要である。この合計量が２重量％未満の
場合には、焼結性が悪くなり、硬さ、強度等が低下する
ので好ましくなく、５重量％を越えると、アルミナ結晶
以外の結晶やガラス相が多く生成するので好ましくな
い。各成分の合計量は、好ましくは焼結体中の２．５〜
４．５重量％とする。

【００１３】また、アルカリ金属酸化物は、焼結体中に
０．５重量％以下であることが好ましく、これを上回る
とＳｉＯ₂ 等とガラス相を多く形成するので好ましくな
い。

【００１４】ｃ）結晶粒径（Ｄ）がＤ（２５容積％）≧
０．８μｍ、１．０μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦３．０μ
ｍ、Ｄ（８０容積％）≦４．５μｍである。

【００１５】本発明耐摩耗性アルミナ質セラミックスで
は、結晶粒径を小さくし、かつ結晶粒径分布を狭くする
ことが必要であり、これによってアルミナ質セラミック
スは耐摩耗性に優れたものとなる。即ち、本発明では、
焼結体における平均結晶粒径のみでなく、その分布幅が
狭いことが重要である。尚、上記規定において、Ｄ（２
５容積％）とは、結晶粒子の容積を基準として粒度分布
を求めた場合の、容積基準の粒度分布の積算値が２５％
となる点における結晶粒径である。同様に、Ｄ（５０容
積％）とは積算値が５０％となる点における結晶粒径で
あり、Ｄ（８０容積％）とは積算値が８０％となる点に
おける結晶粒径である。

【００１６】結晶粒径Ｄ（５０容積％）が１．０μｍを
下回る場合には、靭性の低下が起こり、結果的に耐摩耗
の低下につながるので好ましくない。また、結晶粒径Ｄ
（５０容積％）が３．０μｍを越えると、硬さが低下し
て耐摩耗性が低下するので好ましくない。また、１．０
μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦３．０μｍであっても、Ｄ
（８０容積％）≧４．５μｍであると、大きい結晶粒子
が多く存在することになり、これらの粒子により摩耗が
優先的に起こり、粒離脱摩耗による損耗が大きくなっ
て、耐摩耗性の低下をきたすので好ましくない。さらに
Ｄ（２５容積％）＜０．８μｍであると、靭性の低下が
起こり、耐摩耗性が低下するので好ましくない。好まし
くは、結晶粒径（Ｄ）は、Ｄ（２５容積％）≧０．９μ
ｍ、１．２μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦２．５μｍ、Ｄ
（８０容積％）≦４．０μｍとする。

【００１７】尚、本発明のセラミックスにおいて、上記
した結晶粒径としては、以下の方法によって測定した値
を用いる。即ち、焼結体を研削、研磨し、鏡面に仕上
げ、得られた鏡面に熱エッチングもしくは化学エッチン
グを施し、電子顕微鏡にて視野に１００個以上の結晶粒
子が観察できる倍率で観察して、写真撮影する。得られ
た写真から画像解析により1 個の結晶の面積を測定し、
等価円直径に換算し、結晶粒径とする。この様にして任
意の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、Ｄ（２５容積％）、Ｄ（５０
容積％）及びＤ（８０容積％）を求める。

【００１８】ｄ）ビッカース硬さが１３５０以上であ
る。

【００１９】本発明のアルミナ質セラミックスは、ＪＩ
Ｓ １６１０に従って測定したビッカース硬さ（ＨＶ）
が１３５０以上であることが必要であり、これを下回る
と粒界強度が低くなるために粒脱離が顕著に起こり、耐
摩耗性が低下し易い。本発明では、ビッカース硬さは、
好ましくは１４００以上とする。

【００２０】ｆ）かさ密度を３．７０ｇ／ｃｍ³ 以上と
する。

【００２１】かさ密度が３．７０ｇ／ｃｍ³ 未満の場合
には、ポアーが多く存在することになり、このポアーが
起点となって摩耗が促進され、耐摩耗性が低下するので
好ましくない。従って、かさ密度は３．７０ｇ／ｃｍ³
以上とし、好ましくは３．７５ｇ／ｃｍ³ 以上とする。

【００２２】本発明の耐摩耗性アルミナ質セラミックス
は、上記した条件を満足するものであるが、上記成分に
加えて、焼結体中に一定量のＺｒＯ₂ が存在する場合に
も、上記したと同様の優れた特性を有するものとなり、
更に、ＺｒＯ₂ の存在によって焼結性の向上及び靭性、
強度の向上を図ることができる。具体的には、焼結体に
おけるＺｒＯ₂ 分を除いた成分中のＡｌ₂ Ｏ₃ 量が９５
〜９８重量％、焼結助剤の各成分の合計量が２〜５重量
％であれば、ＺｒＯ₂ 分を除いた焼結体の合計量１００
重量部に対して、ＺｒＯ₂ を２０重量部以下含むことが
できる。ＺｒＯ₂ 量が２０重量部を上回ると、靭性等は
向上するものの、硬さの低下が起こるので好ましくな
い。ＺｒＯ₂ の存在による焼結性の向上及び靭性、強度
の向上の効果を十分に発揮するには、ＺｒＯ₂ の含有量
は、好ましくは、ＺｒＯ₂ 分を除いた焼結体の合計量１
００重量部に対して、０．０５〜１５重量部の範囲と
し、より好ましくは０．１〜１０重量部の範囲とする。

【００２３】本発明の耐摩耗性アルミナ質セラミックス
は、例えば、以下に示す方法で製造できる。

【００２４】まず、アルミナ原料に所定量のＭｇＯ、Ｃ
ａＯ、ＺｒＯ₂ 及びＳｉＯ₂ の各原料を添加し、水又は
有機溶媒中で湿式によってポットミル、アトリッション
ミル等の粉砕機を用いて粉砕、混合、分散する。アルミ
ナ原料としては、アルミナ純度が９９．７重量％以上、
比表面積が２ｍ² ／ｇ以上、平均粒子径が３μｍ以下の
原料を使用することが好ましい。使用するアルミナ原料
は明ばん法から作られたものでも良いが、バイヤー法ア
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。ＭｇＯ、ＣａＯ及びＺｒＯ₂ の各
原料としては、平均粒子径０．５μｍ以下のＭｇＯ、Ｃ
ａＯ及びＺｒＯ₂ の各原料、または、水酸化物、炭酸物
等を使用することができる。また、ＳｉＯ₂ 原料として
は、珪石、石英、シリカゾル、エチルシリケート等が使
用でき、さらにはカオリン等の粘土鉱物での添加でも良
い。粉砕により得られる粉体の平均粒子径は、１μｍ以
下、比表面積は５ｍ² ／ｇ以上とすることが好ましい。
次いで、得られたスラリーにバインダーとしてＰＶＡ、
アクリル樹脂、パラフィンワックスエマルジョン等を添
加し、スプレードライアーにて乾燥・造粒して成形用粉
体とする。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等により所定
の形状に成形する。これらの成形方法以外に鋳込み成
形、押出成形、射出成形等の成形方法によっても成形で
きる。この様にして得られた成形体を１４００〜１６０
０℃、好ましくは１４５０〜１５５０℃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。

【００２５】

【発明の効果】本発明耐摩耗性アルミナ質セラミックス
は下記の如き優れた性質を有するものである。

【００２６】ａ）硬さ、強度及び耐衝撃抵抗に優れてい
るために、高負荷での耐摩耗性が良好である。

【００２７】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に、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。

【００２８】ｃ）原料として安価なアルミナを使用でき
る。

【００２９】本発明の耐摩耗性アルミナ質セラミックス
は、このような特徴を活かして粉砕用メディア、ケージ
ミル用部材、内張材、粉砕用容器、ノズル、ローラ、ゲ
ージ等の耐摩耗部材として最適である。

【００３０】

【実施例】以下実施例を示して本発明を更に詳細に説明
する。

【００３１】実施例１ 焼結体が下記表１に示した組成となるように各原料を配
合し、ポットミルで比表面積が６ｍ² ／ｇ以上となるよ
うに湿式粉砕を行い、次いでＰＶＡを加えた後、スプレ
ードライヤーで乾燥・造粒し、成形用粉体を得た。続い
てこの粉体を２ｔｏｎ・ｆ／ｃｍ² の圧力でＣＩＰによ
り球状に成形し、１３５０〜１６５０℃で焼成して、直
径１０ｍｍのボールとし、次いでこのボールの表面をバ
レル研磨して粉砕機用ボールを得た。

【００３２】アルミナ原料としては、試料Ｎｏ．１〜８
及び１０については、平均粒子径２μｍ、比表面積２．
５ｍ² ／ｇ、純度９９．８％のバイヤー法より得られた
アルミナ原料を用い、試料Ｎｏ．９及び１１について
は、平均粒子径５μｍ、比表面積０．８ｍ² ／ｇ、純度
９９．８％のアルミナ原料を用い、試料Ｎｏ．１２では
平均粒子径０．８μｍ、比表面積５ｍ² ／ｇ、純度９
９．８％のリアクティブアルミナ原料を用いた。ＭｇＯ
及びＣａＯの原料としては、炭酸塩を使用し、ＺｒＯ₂
の原料としては、ＺｒＯ₂ を使用し、ＳｉＯ₂ の原料と
してはカオリンを使用した。尚、表１において、Ａｌ₂
Ｏ₃ 量及び焼結助剤量は、焼結体におけるＺｒＯ₂ 分を
除いた成分量を基準とした重量％の値で表わし、ＺｒＯ
₂ 量は、ＺｒＯ₂ 分を除いた焼結体の合計量１００重量
部に対する重量部の値で表わす。

【００３３】

【表１】

【００３４】得られた粉砕機用ボールのかさ密度、ビッ
カース硬さ、曲げ強さ、平均結晶粒径及び最大粒子径を
下記表２に示す。試料Ｎｏ．１〜６の焼結体は、本発明
の条件を満足するものであり、試料Ｎｏ．７〜１２の焼
結体は、本発明において規定する条件を少なくとも１つ
を満たしていないものである これらの粉砕機用ボールを、容量２リットルのアルミナ
製（純度92％）ボールミル中に半分まで入れ、更に水
０．８リットルを入れて、回転数１００ｒｐｍで４８時
間空ずりテストし、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。結果を表２に示す。

【００３５】

【表２】

【００３６】以上の結果から明らかなように、本発明セ
ラミックスは、摩耗率０．０６％以下であり、優れた摩
耗特性を有するものであった。

【００３７】また、試料Ｎｏ．３及び８と同様の配合の
原料を用い、焼結体の形状を直径２０ｍｍ、厚さ３ｍｍ
の円板状とする以外は、試料Ｎｏ．３及び８と同様にし
て焼結体を作製した。この焼結体に対して、毎分４ｇの
量の＃３０の粒度の電融アルミナを、圧縮空気を用いて
４００ｍ／秒の速度で焼結体に対して８０度の角度で衝
突させた。電融アルミナを衝突させた前後の焼結体の重
量差を求め、これを焼結体のかさ密度から体積換算し、
電融アルミナの単位体積当りの減量体積を摩耗量として
求めた。その結果、試料Ｎｏ．３の焼結体では、摩耗量
は８．５×１０ ^-5ｃｍ³ ／ｃｍ³ であったのに対し、試
料Ｎｏ．８の焼結体では、摩耗量は９．５×１０^-4ｃｍ
³ ／ｃｍ³ であり、１０倍以上の摩耗量であった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】i)a)Ａｌ₂ Ｏ₃ を９５〜９８重量％、及び b)ＳｉＯ₂ ４０〜８５重量％、ＭｇＯ１０〜５５重量％
   及びＣａＯ５〜５０重量％の三成分からなる焼結助剤の
   各成分を合計量として２〜５重量％、 含有するアルミナ焼結体からなり、 ii) 結晶粒径（Ｄ）がＤ（２５容積％）≧０．８μｍ、
   １．０μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦３．０μｍ、Ｄ（８０
   容積％）≦４．５μｍであり、 iii)ビッカース硬さが１３５０以上、 iv) かさ密度が３．７０ｇ／ｃｍ³ 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】i)a)Ａｌ₂ Ｏ₃ 、b)ＳｉＯ₂ ４０〜８５重
   量％、ＭｇＯ１０〜５５重量％及びＣａＯ５〜５０重量
   ％の三成分からなる焼結助剤の各成分、並びにc)ＺｒＯ
   ₂を含み、 ＺｒＯ₂ 分を除いた成分中のＡｌ₂ Ｏ₃ 量が９５〜９８
   重量％、焼結助剤の各成分の合計量が２〜５重量％であ
   って、ＺｒＯ₂ 分を除いた焼結体の合計量１００重量部
   に対して、ＺｒＯ₂ を２０重量部以下含有するアルミナ
   焼結体からなり、 ii) 結晶粒径（Ｄ）がＤ（２５容積％）≧０．８μｍ、
   １．０μｍ≦Ｄ（５０容積％）≦３．０μｍ、Ｄ（８０
   容積％）≦４．５μｍであり、 iii)ビッカース硬さが１３５０以上、 iv) かさ密度が３．７０ｇ／ｃｍ³ 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。