JP2003026469A - セラミックボールおよびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の金属製ボールや樹脂製ボールでは適用
が困難であった環境においても使用することができかつ
容易かつ明確に視認できる、セラミックボールの提供。 【解決手段】 表面に色調が異なる２以上の領域を有す
るセラミックボール、および焼結後における色調が異な
る２種以上のセラミック原料を別々に粉末充填または射
出成形を行って、表面に色調が異なる２以上の領域を有
する成形体を作製する工程を具備する上記セラミックボ
ールの製造方法、焼結後における色調が異なる２種以上
のセラミック原料を別々に仮成形した後、両者を合体さ
せた後加圧して再成形を行って、表面に色調が異なる２
以上の領域を有する成形体を作製する工程を具備する上
記セラミックボールの製造方法、色調の異なるセラミッ
ク焼結体を別々に作製し、両者を接合または接着させる
ことによって表面に色調が異なる２以上の領域を有する
焼結体を作製する工程を具備する上記セラミックボール
の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックボール
およびその製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミックボールは、機械的強
度、耐熱性、耐薬品性および耐摩耗性が優れているもの
である。このことから、従来の金属ボールまたは樹脂ボ
ール等では使用困難であった環境下においてその代替品
として普及している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】セラミックは、通常、
同材質、同組成では単色である。セラミックボールの位
置あるいは回転状態を視覚的に確認する場合、例えばセ
ラミックボールの回転や上下浮揚等によってガス等の方
向、流量、流速等を確認するガス流量計あるいはバルブ
等の開閉状態を確認する場合には、表面が複数の色調を
呈しているボールが効果的である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面に２色以
上の色調が異なる領域を有するセラミックボールおよび
その製造法に関するものである。

【０００５】従って、本発明によるセラミックボール
は、セラミックボールにおいて、その表面に色調が異な
る２以上の領域を有するものであること、を特徴とする
ものである。

【０００６】そして、本発明による第一のセラミックボ
ールの製造法は、上記のセラミックボールの製造法であ
って、焼結後における色調が異なる２種以上のセラミッ
ク原料を別々に粉末充填または射出成形を行って、表面
に色調が異なる２以上の領域を有する成形体を作製する
工程を具備すること特徴とする、セラミックボールの製
造法。

【０００７】また、本発明による第二のセラミッボール
の製造法は、上記のセラミックボールの製造法であっ
て、焼結後における色調が異なる２種以上のセラミック
原料を別々に仮成形した後、両者を合体させた後加圧
し、再形成を行って、表面に色調が異なる２以上の領域
を有する成形体を作製する工程を具備すること、を特徴
とするもである。

【０００８】また、本発明による第三のセラミックボー
ルの製造法は、上記のセラミックボールの製造法であっ
て、色調の異なるセラミック焼結体を別々に作製し、両
者を接合または接着させることによって表面に色調が異
なる２以上の領域を有する焼結体を作製する工程を具備
すること、を特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明によるセラミックボール
は、例えば図１や図２に示したようにその表面に色調が
異なる２以上の領域を有するものであることを特徴とす
るものである。図中、１はセラミックボール、２は第１
の色調を示す領域、３は第２の色調を示す領域である。
ここで、「色調が異なる」とは、色の種類、あるいは色
ないし色彩の濃淡、強弱が異なることを意味する。本発
明では外観上、色の種類または色の濃淡が異なっていれ
ば十分効果が得られるが、より効果を得るためにはＪＩ
Ｓ−Ｚ−８１１０に紹介された「系統色名の一般的な色
度区分」で区分けされた色を少なくとも一部に使用する
ことが好ましい。

【００１０】また、色の種類の数と色調が異なる領域の
数とは必ずしも一致している必要はない。例えば、色調
として、黒色をベースにしてピンク色の領域を設けると
きに、このピンク色領域は一個所であってもよいし、例
えば図３に示したように第２の色調を示す領域を２個所
以上（３ａ，３ｂ）に分けて設けてもよい。また、３ａ
をピンク色、３ｂを黄色と言ったように第２の色調を示
す領域の色を複数にしてもよい。

【００１１】また、本発明によるセラミックボールは、
外観から視覚的に観察されるその表面部に色調が異なる
２以上の領域を有するものであれば良い。従って、外部
から視覚的に観察されない部分、例えばセラミックボー
ルの内部は色調が異なっている必要はない。また、本発
明によるセラミックボールは、場合により、内部が中空
になっていてもよい。

【００１２】また、色調の異なる２以上の領域におい
て、面積の最も小さい色調を示す領域の面積がセラミッ
クボールの表面積の１０〜５０％であることが好まし
い。本発明はセラミックボールの表面に、色調が異なる
領域が存在すればよいものであるが、面積の最も小さい
色調があまり小さいと色調を変えたことが外観から判断
し難くなる。特に、直径が３ｍｍ以下のボールにおいて
は面積の最も小さい色調を示す領域の面積がセラミック
ボールの表面積の２５〜５０％の範囲であることが好ま
しい。なお、面積の最も小さい色調を示す領域が複数存
在する場合は、その合計値を示すものとする。例えば、
黒色をベース（面積率５０％以上）に黄色を複数のスト
ライプ状に存在させた場合は、この黄色を示す領域の合
計の面積を「面積の最も小さい色調を示す領域の面積」
として取り扱うものとする。

【００１３】本発明によるセラミックボールは、従来か
ら一般的に用いられている各種のセラミック材料から形
成することができる。例えば、好ましくは窒化アルミニ
ウム、窒化珪素、アルミナおよびアルミナとジルコニア
の化合物の少なくとも一種を主成分とするセラミック材
料から形成することができる。ここで、アルミナとジル
コニアの化合物とは、アルミナとジルコニアの合計量に
対し、アルミナを２０〜８０重量％含有したものであ
る。上記のセラミック材料の中でも、特に酸化アルミニ
ウムおよび窒化珪素が好ましい。

【００１４】上記のようなセラミック材料は、必要に応
じ、焼結助剤としての各種の希土類化合物、好ましくは
イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビ
ウム（Ｅｒ）、セリウム（Ｃｅ）の酸化物等を含有する
ことができる。本発明において特に好ましい希土類化合
物の種類およびその添加量は、セラミック材料の種類、
セラミックボールの用途、要求性能等に応じて決定する
ことができる。窒化アルミニウムを主成分とするセラミ
ック材料には酸化イットリウムを２〜１０質量％添加す
るのが好ましく、窒化珪素を主成分とするセラミック材
料には酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化エ
ルビウムの少なくとも１種を２〜１７質量％添加するの
が好ましい。

【００１５】本発明において、色調が異なる領域は、好
ましくは色調が異なる２種以上のセラミックによって形
成することができる。

【００１６】色調が異なる領域は、例えば（イ）主成分
が異なることによってセラミック材料本来の色調が異な
る場合には複数種のセラミック材料を組み合わせること
によって、（ロ）セラミック材料本来の色調に大きな差
が見られないときは、各領域を形成するセラミック材料
のいずれか１つないし全てに同一または異なる着色剤を
配合し、これらを組み合わせることによって、（ハ）セ
ラミック材料またはその成形体の製造条件あるいはセラ
ミック材料またはその成形体に対する後処理（例えば焼
結処理）等により色調が異なるセラミック材料等が得ら
れる場合には、そのような色調を異なるセラミック材料
を組み合わせることによって、あるいは（ニ）上記
（イ）〜（ハ）の方法を組み合わせることによって、形
成することができる。

【００１７】本発明において使用可能な着色剤として
は、希土類元素、特にランタン系列のもの〔即ち、ラン
タン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐ
ｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマ
リウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム
（Ｇｄ）、テルビニウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄ
ｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリ
ウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウ
ム（Ｌｕ）〕、ならびに、コバルト（Ｃｏ）、クロム
（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン
（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）等の
金属またはその金属酸化物等を例示することが出来る。
これら着色剤は焼結助剤の効果も得られることから好ま
しいものである。

【００１８】また、これらの着色剤の添加量は、所望の
色調ないし着色効果が得られるならば任意である。着色
剤の好ましい添加量は合計で、２〜１９質量％である。

【００１９】色調の一例としては、窒化珪素または窒化
アルミニウムを主成分としたとき、サマリウム（Ｓｍ）
は茶色、イッテルビウム（Ｙｂ）は黄色、プラセオジム
（Ｐｒ）は緑色、エルビウム（Ｅｒ）またはホルミウム
（Ｈｏ）はピンク色、ネオジウム（Ｎｄ）は青色、イッ
トリウム（Ｙ）はグレー、ジスプロシウム（Ｄｙ）また
はセリウム（Ｃｅ）は黄緑色を示す。また、これらにコ
バルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、
ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、
タングステン（Ｗ）の少なくとも１種を添加すると黒色
になる。

【００２０】前記の通り、本発明によるセラミックボー
ルは、その表面に色調が異なる２以上の領域を有するも
のであることを特徴とするものである。色調が異なる２
以上の領域間の接合強度を長期間より高いレベルで維持
するためには、各領域を形成しているセラミック材料の
特性に大きな差がないことが好ましい。従って、本発明
によるセラミックボールは、色調が異なる２以上の領域
が主成分が同一種類のセラミックによって形成されてい
るもの、あるいは色調が異なる２以上の領域が、添加剤
が同一種類のセラミックによって形成されているもの、
が特に好ましい。

【００２１】本発明によるセラミックボールは、（イ）
焼結後の色調が異なる２種以上のセラミック原料を別々
に粉末充填または射出成形を行って、表面に色調が異な
る２以上の領域を有する成形体を作製する工程を具備す
る方法、（ロ）焼結後の色調が異なる２種以上のセラミ
ック原料を別々に仮成形した後、両者を合体させた後加
圧して再成形を行って、表面に色調が異なる２以上の領
域を有する成形体を作製する工程を具備する方法、ある
いは（ハ）色調の異なるセラミック焼結体を別々に作製
し、両者を接合または接着させることによって表面に色
調が異なる２以上の領域を有する焼結体を作製する工程
を具備する方法によって、製造することができる。上記
（イ）〜（ハ）の方法において行われる粉末充填、射出
成形、仮成形、再成形、接合または接着および焼結の各
操作は、この種のセラミック成形体ないしセラミック焼
結体の製造において従来から使用されている方法のうち
で合目的的な任意のものを本発明では採用することがで
きる。

【００２２】なお、上記（イ）〜（ハ）の各方法では、
上記で具体的に記載した操作に加えて、本発明によるセ
ラミックボールを製造する際に必須あるいは必要に応じ
て採用可能な各種の処理を行うこともできる。そのよう
な処理の代表的なものとしては、セラミック成形体の焼
成前に行われる脱脂処理を挙げることができる。このよ
うな脱脂処理は、例えば温度３００〜８５０℃×０．５
〜４時間程度行うことが好ましい。さらに、得られたセ
ラミックボールの表面特性および形状を整えるための表
面研磨処理等を挙げることができる。

【００２３】このようにして得られた本発明によるセラ
ミックボールは、その表面に色調が異なる２以上の領域
を有するものであって、その回転方向、その速度、セラ
ミックボールの位置変化などを容易かつ明確に視認でき
るものであり、かつセラミック本来の機械的強度、耐熱
性、耐薬品性および耐摩耗性等を有するものである。

【００２４】従って、本発明によるセラミックボール
は、従来の金属製ボールや樹脂製ボールでは適用が困難
であった環境においても使用することができかつ容易か
つ明確に視認できるものである。

【００２５】本発明によるセラミックボールの効果が特
に見られる用途としては、流量計、特に、腐食性のガス
または液体の流量計や、ボールバルブなどを挙げること
ができる。また、従来の金属製ボールと比較して重量が
軽くなることから、微量の流量を測定するための流量計
にも適している。

【００２６】

【実施例】＜実施例１〜８、比較例１＞下記の半球成形
体１〜７を、表１に示した成形方法により材質１と材質
２とを成形した後、１６００〜１８７０℃で焼結するこ
とによって、２色のセラミックボールを作製した。な
お、各セラミックスボールの直径は３ｍｍに統一した。

【００２７】・成形体１：アルミナ３質量％、イットリ
ア５質量％、窒化けい素残部 ・成形体２：アルミナ３質量％、イットリア５質量％、
チタニア１質量％、窒化けい素残部 ・成形体３：イットリア５質量％、アルミナ残部 ・成形体４：イットリア５質量％、ジルコニア残部 ・成形体５：イットリア５質量％、酸化クロム０．５質
量％、アルミナ残部 ・成形体６：イットリア５質量％、酸化プラセオジム７
質量％、窒化アルミニウム残部 ・成形体７：アルミナ３質量％、酸化エルビウム８質量
％、窒化けい素残部 各セラミックボールに対して外観検査を行った。結果は
表１に示さる通りであった。外観検査は、外観が２色に
別れているものを外観良好として「○」、１色しかない
ものを外観不良として「×」で表示した。

【００２８】

【表１】 以上のように本発明の実施例に係るセラミックボールは
外観が２色に別れていた。尚、表１において、「２段階
粉末充填」とは、成形時の粉末充填を２段階に分割し、
異なる組成のセラミック原料を充填して成形体を作製す
る方法を意味している。この方法は、本発明による第一
のセラミックボールの製造法に属するものである。「２
段階射出成形」とは、成形時の射出成形を２段階に分割
し、異なる組成のセラミック原料を射出して成形体を作
製する方法を意味している。この方法は、本発明による
第一のセラミックボールの製造法に属するものである。

【００２９】「仮成形」とは、「色調が異なるセラミッ
ク原料を別々に仮成形した後、両者をボール形状に合わ
せた後、加圧し、再形成を行って成形体を作製する方法
を意味している。この方法は、本発明による第二のセラ
ミックボールの製造法に属するものである。

【００３０】「ろう材接合」または「接着剤による接
合」とは、色調の異なるセラミック焼結体を別々に作製
し、両者を接合または接着させることによってセラミッ
クボールを得る方法を意味している。この方法は、本発
明による第三のセラミックボールの製造法に属するもの
である。なお、ろう材接合のろう材は７０ｗｔ％Ａｇ−
２７ｗｔ％Ｃｕ−３ｗｔ％Ｔｉペースト、接着剤はエポ
キシ系接着剤を用いた。

【００３１】＜実施例９〜１６、比較例２〜３＞上記の
実施例１〜８および比較例１のセラミックボールをガス
流量計のフローメータ用ボールに用いた。また、比較例
３として軸受鋼ＳＵＪ２製ボールを用意した。

【００３２】各セラミックボールを硫酸１０％濃度の腐
食性ガスおよびＮａＯＨ１０％濃度の腐食性ガスのフロ
ーメーターに２０時間連続で用いたときの動作確認性、
およびボールの腐食性について確認した。結果は、表２
に示される通りである。

【００３３】

【表２】 表２において、動作確認性とは２ｍ離れた位置から外観
上目視によりボールの動きの有無が確認し易いものを動
作確認性良好として「○」、確認し難いものを動作確認
性不良として「×」で示した。

【００３４】また、腐食性については、２０時間後の体
積減少率が０．１％以下のものを耐腐食性良好として
「○」、０．１％を超えて１％未満のものを耐腐食性普
通として「△」、１％以上のものを耐腐食性不良として
「×」で示した。

【００３５】各セラミックボールを用いたところ、２色
以上の色調を有する本発明にかかるセラミックボールは
わずかな動きであってもボールが移動していることが視
覚的に確認できた。それに対し、比較例のものは１色で
あることから、わずかな動きではボールの動きを視覚的
に確認することは難しかった。

【００３６】このため、本発明のセラミックボールはガ
ス流量計のフローメータ用ボールに好適であることが分
かり、特にわずかな動きを視覚的に確認することができ
ることから流量の小さいガス流量計に適している。ま
た、耐腐食性試験においてもセラミックを用いた本発明
の実施例に係るフローメータ用ボールは軸受鋼のように
金属製ボールと比べて耐腐食性が良好であることが分か
る。

【００３７】＜実施例１７〜１８、比較例４〜５＞実施
例１および実施例６のセラミックボールをボールバルブ
に適用した。比較のために、比較例２および比較例３の
ボールを用意した。各ボールの耐久性試験を行った。耐
久性試験は連続して３０００回バルブを稼動させた後に
バルブ閉めた状態で液漏れが生じるものを耐久性不良と
して「×」、若干の液漏れが生じたものを耐久性普通と
して「△」、液漏れが生じないものを耐久性良好として
「○」で表示した。

【００３８】

【表３】 表３から分かる通り、本実施例に係るボールは耐久性も
良好である。

【００３９】＜実施例１９〜２６＞次に、窒化珪素また
は窒化アルミニウムを主成分とし、表４に示した添加剤
を入れることにより、色調の異なる領域をもつセラミッ
クボールを作製した。各セラミックボールの作製にあた
り、ボールの直径、面積の最も小さい色調を示す領域の
面積の割合をそれぞれ表４に示す割合で変化させた。な
お、各セラミックボールは２段階粉末充填法で作製した
ものである。各セラミックボールに関し、外観検査、実
施例９と同様のガス流量計に適用し腐食性について検討
した。その結果を表４に示す。また、併せてその色調を
表５に示した。

【００４０】

【表４】

【表５】 表４から分かる通り、本発明のセラミックボールは様々
な形態に適用可能である。また、ボールの直径が３ｍｍ
と小さい実施例１９の場合、面積の最も小さい色調を示
す領域である「第２の色調領域」の面積の割合を５％に
したところ、動作確認性が低下した。このため、面積の
最も小さい色調の異なる領域は面積率で１０％以上が好
ましいことが判明した。

【００４１】

【発明の効果】本発明によるセラミックボールは、従来
の金属製ボールや樹脂製ボールでは適用が困難であった
環境においても使用することができかつ容易かつ明確に
視認できるものである。このような本発明によるセラミ
ックボールは、例えば腐食性のガスまたは液体の流量
計、ボールバルブの用途において特に優れた効果を発揮
するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックボールの一例を示す図であ
る。

【図２】本発明のセラミックボールの他の一例を示す図
である。

【図３】本発明のセラミックボールの他の一例を示す図
である。

【符号の説明】

１ セラミックボール ２ 第１の色調を示す領域 ３ 第２の色調を示す領域

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G026 BA16 BA17 BB16 BB17 BF16 BF24 BG02 BH01 4G030 AA11 AA12 AA14 AA16 AA17 AA22 AA24 AA36 AA51 AA52 BA19 CA03 CA07 GA21 GA22 GA27 4G052 BA02 BB03 BB09 4G054 AA05 AB15 BA32 BA62

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックボールにおいて、その表面に色
   調が異なる２以上の領域を有することを特徴とする、セ
   ラミックボール。
2. 【請求項２】色調が異なる２以上の領域が、色調が異な
   る２種以上のセラミックによって形成されていることを
   特徴とする、請求項１記載のセラミックボール。
3. 【請求項３】色調が異なる２以上の領域が、主成分が異
   なる２種以上のセラミックによって形成されていること
   を特徴とする、請求項１記載のセラミックボール。
4. 【請求項４】色調が異なる２以上の領域が、添加剤が異
   なる２種以上のセラミックによって形成されていること
   を特徴とする、請求項１記載のセラミックボール。
5. 【請求項５】色調の異なる２以上の領域において、面積
   の最も小さい色調を示す面積がセラミックボールの表面
   積の１０〜５０％であることを特徴とする請求項１乃至
   ４のいずれかに記載のセラミックボール。
6. 【請求項６】流量計、ボールバルブのいずれかに用いら
   れることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記
   載のセラミックボール。
7. 【請求項７】請求項１に記載のセラミックボールの製造
   法であって、焼結後における色調が異なる２種以上のセ
   ラミック原料を別々に粉末充填または射出成形を行っ
   て、表面に色調が異なる２以上の領域を有する成形体を
   作製する工程を具備すること特徴とする、セラミックボ
   ールの製造法。
8. 【請求項８】請求項１に記載のセラミックボールの製造
   法であって、焼結後における色調が異なる２種以上のセ
   ラミック原料を別々に仮成形した後、両者を合体させた
   後加圧し、再成形を行って、表面に色調が異なる２以上
   の領域を有する成形体を作製する工程を具備することを
   特徴とする、セラミックボールの製造法。
9. 【請求項９】請求項１に記載のセラミックボールの製造
   法であって、色調の異なるセラミック焼結体を別々に作
   製し、両者を接合または接着させることによって表面に
   色調が異なる２以上の領域を有する焼結体を作製する工
   程を具備することを特徴とする、セラミックボールの製
   造法。