JP2002096024A - 超音波ホーン用セラミック部材及びこれを備える超音波ホーン - Google Patents
超音波ホーン用セラミック部材及びこれを備える超音波ホーンInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 相手材の材質に依らず優れた耐摩耗性及び耐
衝撃性を発揮でき、特に鉄系材料を加工する場合にも優
れた耐久性を発揮する超音波ホーン用セラミック先端部
材及びこれを備える高い耐久性を有する超音波ホーンを
提供する。 【解決手段】 窒化珪素粉末、窒化チタン粉末及び焼結
助剤（Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2及びＣｅＯ2）を湿式
混合後、乾燥・造粒して原料粉末を調製し、金型プレス
により成形する。その後、冷間静水圧プレスを行い、１
ＭＰａの窒素雰囲気において温度１５５０〜１９５０℃
で予備焼成し、更に、１００ＭＰａの窒素雰囲気で温度
１６００℃で２時間高温静水圧プレス処理して得る。得
られた超音波ホーン用セラミック先端部材は、窒化珪素
と、周期表４〜６族に属する元素の窒化物及び／又は炭
化物とを合計で９０質量％以上含有し、ビッカース硬度
が１５ＧＰａ以上であり、且つ破壊靭性値が４．５ＭＰ
ａｍ1/2以上である。
衝撃性を発揮でき、特に鉄系材料を加工する場合にも優
れた耐久性を発揮する超音波ホーン用セラミック先端部
材及びこれを備える高い耐久性を有する超音波ホーンを
提供する。 【解決手段】 窒化珪素粉末、窒化チタン粉末及び焼結
助剤（Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2及びＣｅＯ2）を湿式
混合後、乾燥・造粒して原料粉末を調製し、金型プレス
により成形する。その後、冷間静水圧プレスを行い、１
ＭＰａの窒素雰囲気において温度１５５０〜１９５０℃
で予備焼成し、更に、１００ＭＰａの窒素雰囲気で温度
１６００℃で２時間高温静水圧プレス処理して得る。得
られた超音波ホーン用セラミック先端部材は、窒化珪素
と、周期表４〜６族に属する元素の窒化物及び／又は炭
化物とを合計で９０質量％以上含有し、ビッカース硬度
が１５ＧＰａ以上であり、且つ破壊靭性値が４．５ＭＰ
ａｍ1/2以上である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波ホーン用セラ
ミック部材及びそれを備える超音波ホーンに関する。更
に詳しくは、相手材の材質に依らず優れた耐摩耗性及び
耐衝撃性を有する超音波ホーン用セラミック部材に関す
る。また、この超音波ホーン用セラミック部材を備える
高い耐久性を有する超音波ホーンに関する。本発明の超
音波ホーンは、超音波溶接機、超音波かしめ機、超音波
半田付機、超音波穿孔機、超音波圧搾機、超音波切断機
等の超音波を用いた工作機器に好適に用いることができ
る。
ミック部材及びそれを備える超音波ホーンに関する。更
に詳しくは、相手材の材質に依らず優れた耐摩耗性及び
耐衝撃性を有する超音波ホーン用セラミック部材に関す
る。また、この超音波ホーン用セラミック部材を備える
高い耐久性を有する超音波ホーンに関する。本発明の超
音波ホーンは、超音波溶接機、超音波かしめ機、超音波
半田付機、超音波穿孔機、超音波圧搾機、超音波切断機
等の超音波を用いた工作機器に好適に用いることができ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来より、超音波を利用した各種の加工
用機器が知られている。この超音波を利用する加工用機
器には被加工材に直接接して超音波を加振する超音波ホ
ーンが取り付けられている。超音波ホーンはこれまでに
も鋼、チタン系合金、アルミニウム系合金等を成形した
ものが使用されているが、近年では被加工材に接する先
端部のみを窒化珪素、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素
等のセラミックで形成することにより高い耐久性を有す
る超音波ホーンも知られている（実開平５−８０５６９
号公報、特開平９−１０６５号公報、特開平２０００−
１５３２３０号公報等）。なかでも、窒化珪素を主成分
とする先端部材を用いた場合は、ジルコニアや、アルミ
ナを主成分とする先端部材を用いる場合に比べても更に
高い耐久性を有する。
用機器が知られている。この超音波を利用する加工用機
器には被加工材に直接接して超音波を加振する超音波ホ
ーンが取り付けられている。超音波ホーンはこれまでに
も鋼、チタン系合金、アルミニウム系合金等を成形した
ものが使用されているが、近年では被加工材に接する先
端部のみを窒化珪素、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素
等のセラミックで形成することにより高い耐久性を有す
る超音波ホーンも知られている（実開平５−８０５６９
号公報、特開平９−１０６５号公報、特開平２０００−
１５３２３０号公報等）。なかでも、窒化珪素を主成分
とする先端部材を用いた場合は、ジルコニアや、アルミ
ナを主成分とする先端部材を用いる場合に比べても更に
高い耐久性を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この窒化珪素
を主成分とする先端部材を用いて、鋼等のＦｅ成分を含
有する鉄系材料を加工する場合や、被加工材を載置する
ための治具であるアンビルにＦｅ成分が含有される場合
には、急激にこの先端部材の摩耗量が増加するという問
題がある。特に、アンビルはステンレス、軟鋼等から形
成されていることが多く問題である。
を主成分とする先端部材を用いて、鋼等のＦｅ成分を含
有する鉄系材料を加工する場合や、被加工材を載置する
ための治具であるアンビルにＦｅ成分が含有される場合
には、急激にこの先端部材の摩耗量が増加するという問
題がある。特に、アンビルはステンレス、軟鋼等から形
成されていることが多く問題である。
【０００４】本発明は上記問題点を解決するものであ
り、鉄系材料の加工や、アンビルが鉄系材料である場合
にも高い耐摩耗性を示し、更には高い耐衝撃性を発揮で
きる超音波ホーン用セラミック部材を提供することを目
的とする。更に、この超音波ホーン用セラミック部材を
備え、高い耐久性を有する超音波ホーンを提供すること
を目的とする。
り、鉄系材料の加工や、アンビルが鉄系材料である場合
にも高い耐摩耗性を示し、更には高い耐衝撃性を発揮で
きる超音波ホーン用セラミック部材を提供することを目
的とする。更に、この超音波ホーン用セラミック部材を
備え、高い耐久性を有する超音波ホーンを提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本第１発明の超音波ホー
ン用セラミック部材（以下、単に「セラミック部材」と
もいう）は、窒化珪素と、周期表４、５又は６族に属す
る元素の窒化物及び／又は炭化物とを合計で９０質量％
以上含有し、ビッカース硬度が１５ＧＰａ以上であり、
且つ破壊靭性値が４．５ＭＰａｍ1/2以上であることを
特徴とする。
ン用セラミック部材（以下、単に「セラミック部材」と
もいう）は、窒化珪素と、周期表４、５又は６族に属す
る元素の窒化物及び／又は炭化物とを合計で９０質量％
以上含有し、ビッカース硬度が１５ＧＰａ以上であり、
且つ破壊靭性値が４．５ＭＰａｍ1/2以上であることを
特徴とする。
【０００６】尚、本発明における「周期表４、５又は６
族に属する元素の窒化物及び／又は炭化物」とは、「周
期表４、５又は６族に属する元素の窒化物」、「周期表
４、５又は６族に属する元素の炭化物」、「周期表４、
５又は６族に属する元素の窒化物と炭化物」のいずれか
を意味する。更に、以下では必要に応じて「周期表４、
５又は６族に属する元素の窒化物」を「４〜６族窒化
物」、「周期表４、５又は６族に属する元素の炭化物」
を「４〜６族炭化物」、「周期表４、５又は６族に属す
る元素の窒化物及び／又は炭化物」を「４〜６族窒化物
等」と各々略す。
族に属する元素の窒化物及び／又は炭化物」とは、「周
期表４、５又は６族に属する元素の窒化物」、「周期表
４、５又は６族に属する元素の炭化物」、「周期表４、
５又は６族に属する元素の窒化物と炭化物」のいずれか
を意味する。更に、以下では必要に応じて「周期表４、
５又は６族に属する元素の窒化物」を「４〜６族窒化
物」、「周期表４、５又は６族に属する元素の炭化物」
を「４〜６族炭化物」、「周期表４、５又は６族に属す
る元素の窒化物及び／又は炭化物」を「４〜６族窒化物
等」と各々略す。
【０００７】上記「セラミック部材」全体を１００質量
％とした場合に、上記「窒化珪素」と、上記「４〜６族
窒化物等」で９０質量％以上含有する。この含有量は９
０〜９９．５質量％であることが好ましく、９１〜９９
質量％であることがより好ましい。これらの合計が９０
質量％未満であると十分な耐摩耗性及び耐衝撃性を発揮
し難くなる傾向にある。４〜６族窒化物等を含有するこ
とにより、窒化珪素の優れた機械的強度を十分に保ちつ
つ、窒化珪素がＦｅ成分と反応することを効果的に抑制
することができる。
％とした場合に、上記「窒化珪素」と、上記「４〜６族
窒化物等」で９０質量％以上含有する。この含有量は９
０〜９９．５質量％であることが好ましく、９１〜９９
質量％であることがより好ましい。これらの合計が９０
質量％未満であると十分な耐摩耗性及び耐衝撃性を発揮
し難くなる傾向にある。４〜６族窒化物等を含有するこ
とにより、窒化珪素の優れた機械的強度を十分に保ちつ
つ、窒化珪素がＦｅ成分と反応することを効果的に抑制
することができる。
【０００８】更に、第２発明のように、窒化珪素は２０
〜６０質量％（より好ましくは２３〜５７質量％、更に
好ましくは２５〜５５質量％）であることが好ましい。
窒化珪素の含有量が２０質量％未満であると、窒化珪素
の特性が十分に発揮され難くなり、機械的強度は低下す
る傾向にある。窒化珪素の割合が６０質量％を超える
と、Ｆｅ成分に対する耐摩耗性が十分に得られ難くなる
傾向にある。一方、４〜６族窒化物等は３０〜７７質量
％（より好ましくは３２〜７５質量％、更に好ましくは
３５〜７０質量％）であることが好ましい。
〜６０質量％（より好ましくは２３〜５７質量％、更に
好ましくは２５〜５５質量％）であることが好ましい。
窒化珪素の含有量が２０質量％未満であると、窒化珪素
の特性が十分に発揮され難くなり、機械的強度は低下す
る傾向にある。窒化珪素の割合が６０質量％を超える
と、Ｆｅ成分に対する耐摩耗性が十分に得られ難くなる
傾向にある。一方、４〜６族窒化物等は３０〜７７質量
％（より好ましくは３２〜７５質量％、更に好ましくは
３５〜７０質量％）であることが好ましい。
【０００９】上記「４〜６族窒化物」及び上記「４〜６
族炭化物」としては合計１２種の元素の窒化物及び炭化
物があるが、含有される化合物はこれらのうちの１種で
あっても２種以上であってもよい。通常含有されるの
は、周期表４〜６周期の元素の窒化物及び／又は炭化物
であり、更に、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化タンタル
（ＴａＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化クロム
（Ｃｒ3Ｃ2）等が含有されることが好ましく、第３発明
のように窒化チタンが含有されることがより好ましい。
族炭化物」としては合計１２種の元素の窒化物及び炭化
物があるが、含有される化合物はこれらのうちの１種で
あっても２種以上であってもよい。通常含有されるの
は、周期表４〜６周期の元素の窒化物及び／又は炭化物
であり、更に、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化タンタル
（ＴａＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化クロム
（Ｃｒ3Ｃ2）等が含有されることが好ましく、第３発明
のように窒化チタンが含有されることがより好ましい。
【００１０】窒化チタンは窒化珪素の機械的強度をほと
んど低下させることなく、窒化珪素がＦｅ成分と反応す
ることを効果的に抑制することができる。更に、この効
果は窒化珪素と窒化チタンとの混合割合において幅広い
範囲で発揮されるため、用途、目的に合わせて窒化珪素
と窒化チタンとの混合割合を調整することが可能であ
る。更に、窒化チタンを含有する窒化珪素は電気伝導性
を有するため、放電加工及びワイヤーカット加工等によ
り成形できる。このためセラミック部材を複雑な形状へ
加工することも可能である。
んど低下させることなく、窒化珪素がＦｅ成分と反応す
ることを効果的に抑制することができる。更に、この効
果は窒化珪素と窒化チタンとの混合割合において幅広い
範囲で発揮されるため、用途、目的に合わせて窒化珪素
と窒化チタンとの混合割合を調整することが可能であ
る。更に、窒化チタンを含有する窒化珪素は電気伝導性
を有するため、放電加工及びワイヤーカット加工等によ
り成形できる。このためセラミック部材を複雑な形状へ
加工することも可能である。
【００１１】尚、第１発明〜第３発明のセラミック部材
には、窒化珪素、４〜６族窒化物、４〜６族炭化物の他
にも、希土類酸化物、マグネシア、アルミナ、シリカ及
びカルシア等として通常配合される焼結助剤が含有され
てもよい。これらは、セラミック部材全体を１００質量
％とした場合に１５質量％以下含有されていてもよい。
１５質量％を超えて含有されると材料の硬さが低下し、
耐摩耗特性が悪くなるため好ましくない。
には、窒化珪素、４〜６族窒化物、４〜６族炭化物の他
にも、希土類酸化物、マグネシア、アルミナ、シリカ及
びカルシア等として通常配合される焼結助剤が含有され
てもよい。これらは、セラミック部材全体を１００質量
％とした場合に１５質量％以下含有されていてもよい。
１５質量％を超えて含有されると材料の硬さが低下し、
耐摩耗特性が悪くなるため好ましくない。
【００１２】上記「ビッカース硬度」は１５．５ＧＰａ
以上であることが好ましく、１６．０ＧＰａ以上である
ことがより好ましく、１６．５ＧＰａ以上であることが
特に好ましい（通常１９．０ＧＰａ以下）。また、上記
「破壊靭性値」は５ＭＰａｍ 1/2以上であることが好ま
しく、５．５ＭＰａｍ1/2以上であることがより好まし
く、６ＭＰａｍ1/2以上であることが特に好ましい（通
常８ＭＰａｍ1/2以下）。
以上であることが好ましく、１６．０ＧＰａ以上である
ことがより好ましく、１６．５ＧＰａ以上であることが
特に好ましい（通常１９．０ＧＰａ以下）。また、上記
「破壊靭性値」は５ＭＰａｍ 1/2以上であることが好ま
しく、５．５ＭＰａｍ1/2以上であることがより好まし
く、６ＭＰａｍ1/2以上であることが特に好ましい（通
常８ＭＰａｍ1/2以下）。
【００１３】ビッカース硬度が１５ＧＰａ未満であるか
又は破壊靭性値が４．５ＭＰａｍ1/ 2未満であると十分
な耐摩耗性及び耐衝撃性を発揮することができず、特に
ビッカース硬度が１４．５ＧＰａ以下では急激に耐摩耗
性が低下する。また、破壊靭性値が劣ると特に耐衝撃性
が低下することとなる。尚、ビッカース硬度はＪＩＳＲ
１６１０に定められたビッカース硬さ試験方法によ
り、荷重２９７ＭＰａで測定した場合の測定値であり、
破壊靭性値はＪＩＳ Ｒ １６０７に定められたファイ
ンセラミックスの破壊靭性試験方法に従い測定した測定
値である。
又は破壊靭性値が４．５ＭＰａｍ1/ 2未満であると十分
な耐摩耗性及び耐衝撃性を発揮することができず、特に
ビッカース硬度が１４．５ＧＰａ以下では急激に耐摩耗
性が低下する。また、破壊靭性値が劣ると特に耐衝撃性
が低下することとなる。尚、ビッカース硬度はＪＩＳＲ
１６１０に定められたビッカース硬さ試験方法によ
り、荷重２９７ＭＰａで測定した場合の測定値であり、
破壊靭性値はＪＩＳ Ｒ １６０７に定められたファイ
ンセラミックスの破壊靭性試験方法に従い測定した測定
値である。
【００１４】第４発明の超音波ホーンは、超音波ホーン
本体部と、該超音波ホーンの前端に固定される請求項１
乃至３のうちのいずれか１項に記載の超音波ホーン用セ
ラミック部材とを備えることを特徴とする。
本体部と、該超音波ホーンの前端に固定される請求項１
乃至３のうちのいずれか１項に記載の超音波ホーン用セ
ラミック部材とを備えることを特徴とする。
【００１５】上記「超音波ホーン本体部」１１は、通
常、後端側から前端まで次第に細くなっており、この超
音波ホーン本体部１１の前端に、上記「超音波ホーン用
セラミック部材」１２が固定されている（図１参照）。
超音波ホーン本体部が次第に細くなるのは後端側から超
音波振動子等により加振された超音波が、次第に細くな
る前端側に伝播するに従いその振幅を増幅するためであ
る。超音波ホーン本体部の後端側と前端側の径の割合は
特に限定されず、目的及び用途に応じて適宜選択するこ
とができる。
常、後端側から前端まで次第に細くなっており、この超
音波ホーン本体部１１の前端に、上記「超音波ホーン用
セラミック部材」１２が固定されている（図１参照）。
超音波ホーン本体部が次第に細くなるのは後端側から超
音波振動子等により加振された超音波が、次第に細くな
る前端側に伝播するに従いその振幅を増幅するためであ
る。超音波ホーン本体部の後端側と前端側の径の割合は
特に限定されず、目的及び用途に応じて適宜選択するこ
とができる。
【００１６】また、超音波ホーン本体部の材質も特に限
定されないが、比重が小さく（好ましくは８以下、より
好ましくは６以下）、且つ機械的強度（好ましくは引張
強さが２００ＭＰａ以上、より好ましくは３００ＭＰａ
以上）に優れる材質から形成されることが好ましい。比
重が大き過ぎると加振するための出力を大きくする必要
があり、且つ発熱も激しいため好ましくない。このよう
な要求を満たす材質としては、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合
金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ
−Ｍｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ｔｉ合金、ＳＵＳ材等を挙
げることができる。
定されないが、比重が小さく（好ましくは８以下、より
好ましくは６以下）、且つ機械的強度（好ましくは引張
強さが２００ＭＰａ以上、より好ましくは３００ＭＰａ
以上）に優れる材質から形成されることが好ましい。比
重が大き過ぎると加振するための出力を大きくする必要
があり、且つ発熱も激しいため好ましくない。このよう
な要求を満たす材質としては、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合
金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ
−Ｍｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ｔｉ合金、ＳＵＳ材等を挙
げることができる。
【００１７】また、超音波ホーン本体部の前端に固定さ
れる第１発明〜第３発明のセラミック部材の固定方法は
特に限定されず、ロウ付け、圧入、螺合等いずれの方法
を用いてもよい。更に、上記セラミック部材を超音波ホ
ーン本体部の前端部にコーティングしてもよい。このう
ち、特に高い密着性が得られるためロウ付けにより固定
することが好ましい。尚、この時固定されるセラミック
部材は未加工体のまま固定し、その後に、所望の形状に
加工してもよく、所望の形状に加工したセラミック部材
を固定することもできる。
れる第１発明〜第３発明のセラミック部材の固定方法は
特に限定されず、ロウ付け、圧入、螺合等いずれの方法
を用いてもよい。更に、上記セラミック部材を超音波ホ
ーン本体部の前端部にコーティングしてもよい。このう
ち、特に高い密着性が得られるためロウ付けにより固定
することが好ましい。尚、この時固定されるセラミック
部材は未加工体のまま固定し、その後に、所望の形状に
加工してもよく、所望の形状に加工したセラミック部材
を固定することもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明のセラミック部材及び超音
波ホーンを実施例及び比較例、更には図を用いて詳しく
説明する。 ［１］セラミック部材の製造 （１）Ｓｉ3Ｎ4及びＴｉＮを主成分とするセラミック部
材 表１に示す量比の窒化珪素粉末（純度９８％以上、平均
粒径０．６μｍ）と、窒化チタン粉末（純度９８％以
上、平均粒径１．３μｍ）と、焼結助剤粉末（Ａｌ
2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2及びＣｅＯ2）とを配合してボー
ルミルにより湿式混合後、乾燥させて、次いで、造粒し
て原料粉末を調製した。この原料粉末を金型プレスによ
り、直径１６ｍｍ、高さ１６ｍｍの円柱状に成形し、そ
の後、冷間静水圧プレスを行い、次いで、１ＭＰａの窒
素雰囲気において温度１５５０〜１９５０℃で２〜４時
間予備焼成し、更に、１００ＭＰａの窒素雰囲気で温度
１６００℃で２時間高温静水圧プレス処理し、Ｓｉ3Ｎ4
及びＴｉＮを主成分とする実施例１、２、５、６及び
７、比較例１、２及び６のセラミック部材を得た。尚、
実施例１及び２、比較例１及び２は各々組成は同じであ
るが、上記予備焼成時間が異なり、これによりビッカー
ス硬度、破壊靭性等の機械的強度も異なる。
波ホーンを実施例及び比較例、更には図を用いて詳しく
説明する。 ［１］セラミック部材の製造 （１）Ｓｉ3Ｎ4及びＴｉＮを主成分とするセラミック部
材 表１に示す量比の窒化珪素粉末（純度９８％以上、平均
粒径０．６μｍ）と、窒化チタン粉末（純度９８％以
上、平均粒径１．３μｍ）と、焼結助剤粉末（Ａｌ
2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2及びＣｅＯ2）とを配合してボー
ルミルにより湿式混合後、乾燥させて、次いで、造粒し
て原料粉末を調製した。この原料粉末を金型プレスによ
り、直径１６ｍｍ、高さ１６ｍｍの円柱状に成形し、そ
の後、冷間静水圧プレスを行い、次いで、１ＭＰａの窒
素雰囲気において温度１５５０〜１９５０℃で２〜４時
間予備焼成し、更に、１００ＭＰａの窒素雰囲気で温度
１６００℃で２時間高温静水圧プレス処理し、Ｓｉ3Ｎ4
及びＴｉＮを主成分とする実施例１、２、５、６及び
７、比較例１、２及び６のセラミック部材を得た。尚、
実施例１及び２、比較例１及び２は各々組成は同じであ
るが、上記予備焼成時間が異なり、これによりビッカー
ス硬度、破壊靭性等の機械的強度も異なる。
【００１９】（２）Ｓｉ3Ｎ4及びＣｒ3Ｃ2を主成分とす
るセラミック部材 表１に示す量比の窒化珪素粉末（純度９８％以上、平均
粒径０．６μｍ）と、炭化クロム粉末（純度９８％以
上、平均粒径２．５μｍ）と、焼結助剤粉末（Ａｌ
2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2及びＣｅＯ2）とを配合してボー
ルミルにより湿式混合後、乾燥させて、次いで、造粒し
て原料粉末を調製した。この原料粉末を金型プレスによ
り、直径１６ｍｍ、高さ１６ｍｍの円柱状に成形し、そ
の後、冷間静水圧プレスを行い、次いで、１ＭＰａの窒
素雰囲気において温度１４５０〜１７００℃で２〜４時
間予備焼成し、更に、１００ＭＰａの窒素雰囲気におい
て温度１４５０℃で２時間高温静水圧プレス処理し、Ｓ
ｉ3Ｎ4及びＣｒ3Ｃ2を主成分とする実施例３及び４、比
較例４及び５のセラミック部材を得た。尚、実施例３及
び４、比較例４及び５は各々組成は同じであるが、上記
予備焼成時間が異なり、これによりビッカース硬度、破
壊靭性等の機械的強度も異なる。
るセラミック部材 表１に示す量比の窒化珪素粉末（純度９８％以上、平均
粒径０．６μｍ）と、炭化クロム粉末（純度９８％以
上、平均粒径２．５μｍ）と、焼結助剤粉末（Ａｌ
2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2及びＣｅＯ2）とを配合してボー
ルミルにより湿式混合後、乾燥させて、次いで、造粒し
て原料粉末を調製した。この原料粉末を金型プレスによ
り、直径１６ｍｍ、高さ１６ｍｍの円柱状に成形し、そ
の後、冷間静水圧プレスを行い、次いで、１ＭＰａの窒
素雰囲気において温度１４５０〜１７００℃で２〜４時
間予備焼成し、更に、１００ＭＰａの窒素雰囲気におい
て温度１４５０℃で２時間高温静水圧プレス処理し、Ｓ
ｉ3Ｎ4及びＣｒ3Ｃ2を主成分とする実施例３及び４、比
較例４及び５のセラミック部材を得た。尚、実施例３及
び４、比較例４及び５は各々組成は同じであるが、上記
予備焼成時間が異なり、これによりビッカース硬度、破
壊靭性等の機械的強度も異なる。
【００２０】（３）４〜６族窒化物等を含有しないセラ
ミック部材（比較例３） 窒化チタン粉末を配合せず、窒化珪素粉末（純度９８％
以上、平均粒径０．６μｍ）を９４質量％配合した以外
は（１）と同様にして比較例３のセラミック部材を得
た。
ミック部材（比較例３） 窒化チタン粉末を配合せず、窒化珪素粉末（純度９８％
以上、平均粒径０．６μｍ）を９４質量％配合した以外
は（１）と同様にして比較例３のセラミック部材を得
た。
【００２１】
【表１】
【００２２】［２］超音波ホーン本体部の構成 図１の（ｉ）及び（ｉｉ）に示すように、超音波ホーン
本体部１１は略円柱状であり、超音波ホーン本体部前端
から５０ｍｍの位置から前端に向かって細く成形されて
いる。この超音波ホーン本体部の寸法は、全長１１０ｍ
ｍ、後端径２５ｍｍ、前端径１２ｍｍであり、ＪＩＳ
Ｈ ４６５７のＴｉ６Ａｌ４Ｖ系合金からなる。尚、図
１における（ｉｉ）は図１の（ｉ）を振動方向を軸とし
て９０度回転させた時の図である。
本体部１１は略円柱状であり、超音波ホーン本体部前端
から５０ｍｍの位置から前端に向かって細く成形されて
いる。この超音波ホーン本体部の寸法は、全長１１０ｍ
ｍ、後端径２５ｍｍ、前端径１２ｍｍであり、ＪＩＳ
Ｈ ４６５７のＴｉ６Ａｌ４Ｖ系合金からなる。尚、図
１における（ｉｉ）は図１の（ｉ）を振動方向を軸とし
て９０度回転させた時の図である。
【００２３】［３］セラミック部材と超音波ホーン本体
部との接合 ［１］で得られたセラミック部材の超音波ホーン本体部
に接合される面、及び［２］の超音波ホーン本体部のセ
ラミック部材が接合される面の両面を平坦化した。その
後、セラミック部材側の面には、ロウ付けした場合の接
合性を向上させるためにアルミニウムを蒸着した。次い
で、各々の接合面の間に活性金属ろう材であるＡｇ−Ｃ
ｕ−Ｔｉ合金箔を挿入して、重ね合わせた後、所定の圧
力を掛けながら８１０℃で３０分間真空中にて加熱処理
を行い接合した。
部との接合 ［１］で得られたセラミック部材の超音波ホーン本体部
に接合される面、及び［２］の超音波ホーン本体部のセ
ラミック部材が接合される面の両面を平坦化した。その
後、セラミック部材側の面には、ロウ付けした場合の接
合性を向上させるためにアルミニウムを蒸着した。次い
で、各々の接合面の間に活性金属ろう材であるＡｇ−Ｃ
ｕ−Ｔｉ合金箔を挿入して、重ね合わせた後、所定の圧
力を掛けながら８１０℃で３０分間真空中にて加熱処理
を行い接合した。
【００２４】［４］セラミック部材の加工 ［３］で接合されたセラミック部材をダイヤモンド砥石
を用いて研削し、直径１２ｍｍ（図中ａ）、厚さ３ｍｍ
（図中ｂ）の後部から、図１に示すような長さ１２ｍｍ
（図中ｃ）、幅２ｍｍ（図中ｄ）の先端部となるように
加工した。
を用いて研削し、直径１２ｍｍ（図中ａ）、厚さ３ｍｍ
（図中ｂ）の後部から、図１に示すような長さ１２ｍｍ
（図中ｃ）、幅２ｍｍ（図中ｄ）の先端部となるように
加工した。
【００２５】［５］超音波ホーンの耐久性評価 図２に示すような超音波振動子２の先端に［１］〜
［４］までに得られた超音波ホーンを螺合して固定し
た。その後、超音波ホーンの先端（セラミック部材）を
軟鋼からなるアンビルに荷重１５Ｎで押しつけながら、
周波数２８ｋＨｚ、先端振幅量１００μｍとなるように
振動させた。また、稼働による発熱を除去し、超音波ホ
ーンがほぼ一定の温度に保持されるようにファンによる
送風冷却を行った。この試験により、超音波ホーンの先
端、即ち、セラミック部材が５ｍｍ摩耗するまでの時問
を各々測定し、結果を表１に併記した。また、試験中に
クラックを生じたものには、クラックを生じるまでの時
間（耐久時間）を併記した。
［４］までに得られた超音波ホーンを螺合して固定し
た。その後、超音波ホーンの先端（セラミック部材）を
軟鋼からなるアンビルに荷重１５Ｎで押しつけながら、
周波数２８ｋＨｚ、先端振幅量１００μｍとなるように
振動させた。また、稼働による発熱を除去し、超音波ホ
ーンがほぼ一定の温度に保持されるようにファンによる
送風冷却を行った。この試験により、超音波ホーンの先
端、即ち、セラミック部材が５ｍｍ摩耗するまでの時問
を各々測定し、結果を表１に併記した。また、試験中に
クラックを生じたものには、クラックを生じるまでの時
間（耐久時間）を併記した。
【００２６】表１の結果より、４〜６族窒化物等を含有
しない比較例３のセラミック部材と、周期表４〜６族に
属する元素の窒化物及び／又は炭化物の含有量が最も少
ない実施例７のセラミック部材とを比べると、ビッカー
ス硬度は１６ＧＰａであり同じであるが、その耐久時間
は３．７５倍に伸びている。更に、実施例１では比較例
３に比べるとその耐久時間は１２．５倍に伸びているこ
とが分かる。
しない比較例３のセラミック部材と、周期表４〜６族に
属する元素の窒化物及び／又は炭化物の含有量が最も少
ない実施例７のセラミック部材とを比べると、ビッカー
ス硬度は１６ＧＰａであり同じであるが、その耐久時間
は３．７５倍に伸びている。更に、実施例１では比較例
３に比べるとその耐久時間は１２．５倍に伸びているこ
とが分かる。
【００２７】一方、優れた耐久性を示す実施例１と同じ
組成であっても、ビッカース硬度が１４ＧＰａである比
較例１では耐久時間は１１分の１に低下している。即
ち、ビッカース硬度が１５ＧＰａを超えることにより飛
躍的に耐久性が向上することがわかる。同様に、破壊靭
性値が４．４ＭＰａｍ1/2である比較例２と、破壊靭性
値が４．５ＭＰａｍ1/2である実施例１とを比べると、
比較例２では３０時間でクラックを生じているのに対し
て、実施例１では１０００時間もの耐久時間を示してお
り、明らかな差異が認められる。この破壊靭性値が本発
明の範囲外であると特に耐衝撃性が劣ることとなり、ク
ラックを生じ易くなることが分かる。
組成であっても、ビッカース硬度が１４ＧＰａである比
較例１では耐久時間は１１分の１に低下している。即
ち、ビッカース硬度が１５ＧＰａを超えることにより飛
躍的に耐久性が向上することがわかる。同様に、破壊靭
性値が４．４ＭＰａｍ1/2である比較例２と、破壊靭性
値が４．５ＭＰａｍ1/2である実施例１とを比べると、
比較例２では３０時間でクラックを生じているのに対し
て、実施例１では１０００時間もの耐久時間を示してお
り、明らかな差異が認められる。この破壊靭性値が本発
明の範囲外であると特に耐衝撃性が劣ることとなり、ク
ラックを生じ易くなることが分かる。
【００２８】同様に、ビッカース硬度及び破壊靭性値が
本発明の範囲外である炭化クロムを含有するセラミック
部材である比較例４及び５のセラミック部材において
も、上記と同様なことが認められ、実施例３及び４が優
れた耐久性を発揮していることが分かる。
本発明の範囲外である炭化クロムを含有するセラミック
部材である比較例４及び５のセラミック部材において
も、上記と同様なことが認められ、実施例３及び４が優
れた耐久性を発揮していることが分かる。
【００２９】また、窒化珪素と窒化チタンとの組成比に
よる耐久時間を比較すると、ビッカース硬度が１５ＧＰ
ａ以上であっても窒化チタンの含有量が４０質量％未満
である実施例７は、耐久時間はかなり長くなっているも
のの、窒化チタンが４０質量％以上含有されるものに比
べるとその効果は小さい。これに対して本第２発明の範
囲内であり、窒化珪素が４４〜６６質量％の間では特に
優れた耐久性を示していることが分かる。
よる耐久時間を比較すると、ビッカース硬度が１５ＧＰ
ａ以上であっても窒化チタンの含有量が４０質量％未満
である実施例７は、耐久時間はかなり長くなっているも
のの、窒化チタンが４０質量％以上含有されるものに比
べるとその効果は小さい。これに対して本第２発明の範
囲内であり、窒化珪素が４４〜６６質量％の間では特に
優れた耐久性を示していることが分かる。
【００３０】
【発明の効果】本第１発明の超音波ホーン用セラミック
ス部材によると、耐摩耗性及び耐衝撃性に優れ、特にＦ
ｅ成分を含有する被加工材や、アンビルを用いる場合で
あっても、高い耐久性を発揮できる超音波ホーンを得る
ことができる。本第４発明の超音波ホーンによると、Ｆ
ｅ成分を含有する被加工材や、アンビルを用いる場合で
あっても、高い耐久性を発揮できるため、交換までの時
間が長く安価に加工を行うことができる。
ス部材によると、耐摩耗性及び耐衝撃性に優れ、特にＦ
ｅ成分を含有する被加工材や、アンビルを用いる場合で
あっても、高い耐久性を発揮できる超音波ホーンを得る
ことができる。本第４発明の超音波ホーンによると、Ｆ
ｅ成分を含有する被加工材や、アンビルを用いる場合で
あっても、高い耐久性を発揮できるため、交換までの時
間が長く安価に加工を行うことができる。
【図１】（ｉ）は本実施例の超音波ホーンを説明する模
式図である。（ｉｉ）は（ｉ）を振動方向を軸として９
０度回転させた時の模式図である。
式図である。（ｉｉ）は（ｉ）を振動方向を軸として９
０度回転させた時の模式図である。
【図２】本実施例の超音波ホーンの使用例を示す模式図
である。
である。
１；超音波ホーン、１１；超音波ホーン本体部、１２；
超音波ホーン用セラミック部材、２；超音波振動子、
３；アンビル。
超音波ホーン用セラミック部材、２；超音波振動子、
３；アンビル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G001 BA03 BA06 BA11 BA14 BA24 BA32 BA38 BB03 BB06 BB07 BB11 BB14 BB24 BB32 BC52 BC54 BC57 BD36 5D107 AA09 AA11 BB01 FF03
Claims (4)
- 【請求項１】 窒化珪素と、周期表４、５又は６族に属
する元素の窒化物及び／又は炭化物とを合計で９０質量
％以上含有し、ビッカース硬度が１５ＧＰａ以上であ
り、且つ破壊靭性値が４．５ＭＰａｍ1/2以上であるこ
とを特徴とする超音波ホーン用セラミック部材。 - 【請求項２】 上記窒化珪素の含有量は２０〜６０質量
％である請求項１記載の超音波ホーン用セラミック部
材。 - 【請求項３】 上記窒化物を含有する超音波セラミック
部材であって、該窒化物は窒化チタンである請求項１又
は２に記載の超音波ホーン用セラミック部材。 - 【請求項４】 超音波ホーン本体部と、該超音波ホーン
の前端に固定される請求項１乃至３のうちのいずれか１
項に記載の超音波ホーン用セラミック部材とを備えるこ
とを特徴とする超音波ホーン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000291188A JP2002096024A (ja) | 2000-09-25 | 2000-09-25 | 超音波ホーン用セラミック部材及びこれを備える超音波ホーン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000291188A JP2002096024A (ja) | 2000-09-25 | 2000-09-25 | 超音波ホーン用セラミック部材及びこれを備える超音波ホーン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002096024A true JP2002096024A (ja) | 2002-04-02 |
Family
ID=18774308
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000291188A Pending JP2002096024A (ja) | 2000-09-25 | 2000-09-25 | 超音波ホーン用セラミック部材及びこれを備える超音波ホーン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002096024A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6758925B1 (en) | 2002-12-20 | 2004-07-06 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Acoustical energy transfer component |
| WO2004060581A1 (en) * | 2002-12-20 | 2004-07-22 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Ultrasonic horn with isotropic breathing characteristics |
| US6766937B2 (en) | 2002-12-20 | 2004-07-27 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Ultrasonic rotary horn repair |
| WO2007070078A1 (en) * | 2005-12-12 | 2007-06-21 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Methods for producing ultrasonic waveguides having improved amplification |
| JP2011177787A (ja) * | 2010-02-08 | 2011-09-15 | Nippon Light Metal Co Ltd | 超音波ホーン及びそれを用いたアルミニウム合金の製造方法 |
| US8033173B2 (en) | 2005-12-12 | 2011-10-11 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Amplifying ultrasonic waveguides |
| KR20140120767A (ko) * | 2013-04-04 | 2014-10-14 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차전지용 용접혼 |
| CN106835006A (zh) * | 2017-03-01 | 2017-06-13 | 中南大学 | 一种铝合金铸造用钛合金辐射杆的超声渗氮防护方法 |
| EP4000763A1 (en) | 2020-11-20 | 2022-05-25 | MP Interconsulting | Ultrasonic metal powder atomizer |
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|---|---|---|---|---|
| JPS63185869A (ja) * | 1987-01-27 | 1988-08-01 | 東芝タンガロイ株式会社 | ウイスカ−強化複合焼結体 |
| JPH06320305A (ja) * | 1993-05-11 | 1994-11-22 | Nippon Steel Corp | 溝入れ旋削加工用セラミック工具 |
| JPH11123364A (ja) * | 1997-10-21 | 1999-05-11 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 超音波ホーン |
-
2000
- 2000-09-25 JP JP2000291188A patent/JP2002096024A/ja active Pending
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| WO2007070078A1 (en) * | 2005-12-12 | 2007-06-21 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Methods for producing ultrasonic waveguides having improved amplification |
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| KR20140120767A (ko) * | 2013-04-04 | 2014-10-14 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차전지용 용접혼 |
| KR102073189B1 (ko) * | 2013-04-04 | 2020-02-04 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차전지용 용접혼 |
| CN106835006A (zh) * | 2017-03-01 | 2017-06-13 | 中南大学 | 一种铝合金铸造用钛合金辐射杆的超声渗氮防护方法 |
| EP4000763A1 (en) | 2020-11-20 | 2022-05-25 | MP Interconsulting | Ultrasonic metal powder atomizer |
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