JP2006169702A

JP2006169702A - 抄網支持部材とその製造方法およびこれを用いた抄紙機

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Publication number: JP2006169702A
Application number: JP2004367502A
Authority: JP
Inventors: Fumio Matsunaga; 文夫松永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP4628085B2

Abstract

【課題】刃先の抄網に対する接触状態を最良に保つことで抄網から抄網支持部材への熱の放散を容易にすることにより、抄網支持部材のクラックの発生を防止して高品質の紙を高速度で抄造することを可能にし、寿命を長くししかも長期間にわたって抄紙品質を維持させることができ、近年の高速抄紙機に好適に用いることできる抄網支持部材を提供する。
【解決手段】抄紙機における抄網に当接支持する部材であって、少なくとも先端部が結晶平均アスペクト比５〜１０のからなり、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度を１０〜１００μｍとする。
【選択図】図１

Description

本発明は抄紙機の抄網に当接し支持する抄紙機の抄網支持部材に関するものである。

従来の抄紙機は長網抄紙機と呼ばれ、走行する抄網が１枚の場合を示したものである。図２に示すと、ロール１３によって矢印方向に搬送される抄網１２と、抄網１２の下方に配置された抄網支持部材１１からなり、抄網１２の上部にパルプ原料からなるスラリー１５を入れたヘッドボックス１４を配置して、スラリー１５を抄網１２に供給するようになっている。そして、抄網支持部材１１で抄網１２を支持するとともに、スラリー１５の脱水をおこなう。

このような抄網支持部材１１は低コストという点で超高分子ポリエチレン等のプラスチツク系材料で構成していた。

また、このような抄網支持部材１１は通常、ステンレス鋼等で作られた支持台（ボックス）１６にボルトで固定されたり、あるいは支持台１６に設けたはめ込み部に挿入することによって固定する方法などが採られていた。

しかしながら、パルプ原料中のクレーおよびタルクなどが存在したり、さらに抄網１２との当接摺動により短時間で摩耗し、そのために抄網支持部材１１を取り外し、表面の研磨修正あるいは交換作業等のメンテナンスを頻繁におこなわなければならなかった。

そこで近年は抄網支持部材の材質としてアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等を主成分としたセラミックスが多く用いられている。これらのセラミックスで構成した抄網支持部材は耐磨耗性が大きく、その寿命が長いものとなる為、広く使用されるようになっている。また、ヘッドボックス１４から噴出されたスラリーは走行する抄網１２上の上流側等へ着地した後、上面に勾配のついた抄網支持部材１１で脱水が行なわれながら紙層が次第に形成されて行く（特許文献１参照）。

また、抄紙機の全長にわたって継ぎ目のない一体形状の板状体をセラミックス又は樹脂製のベースの上面に貼り付けることも提案されている（特許文献２参照）。

とりわけ抄網１２が最初に当接し脱水作業に寄与する先端支持部材の先端部は、鋭角に形成され、その表面は入念な仕上げ加工が施してある。（特許文献３参照）。

さらに、工具用の切削刃などに用いるとして、窒化珪素粒子の結晶平均アスペクト比１．７以上にすることで、破壊靱性値を５ＭＰａ・ｍ^０．５以上となり、刃先に集中した熱によってクラックが生じるのを防止して刃先欠損を防止することが提案されている（特許文献４参照）。

その他、機械的特性、熱的特性を向上させた窒化珪素質焼結体として、粒界相（grain boundary layer）にＦｅ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ等の金属珪化物を析出させたものが提案されている（特許文献５〜９参照）。

例えば、特許文献６にはＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、ＦｅおよびＮｂのうち少なくとも１種の金属珪化物の結晶粒子を焼結体中の粒界相に分散させてなるが提案されている。

また、特許文献７には高融点金属−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｏからなる化合物を粒界相に形成させたが、特許文献８にはの粒界相にＷ、Ｆｅ等の珪化物、Ｔｉ化合物（窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物）からなる粒子を含有し、Ｗ、Ｆｅ等の珪化物をＴｉ化合物の周囲に凝集させたを得ることがそれぞれ提案されている。

また、特許文献９の窒化珪素質セラミックスは、Ｗ珪化物とＦｅ珪化物をそれぞれ単独で分散させていた。
特開平６−３４６３９６号公報特開２００１−７３２８８号公報特開平１１−８１１７８号公報特開２００３−２１２６５９号公報特開平５−１４８０３１号公報特開２００１−２０６７７４号公報特開２００１−１０６５７６号公報特開平１１−２６７５３８号公報特開平１１−２６７５３８号公報

ところが、最近の抄紙機では、生産性の向上といった点から、抄網１２の速度が大幅に高速化され、特にフォーマーパート（不図示）における抄網支持部材１１への耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐熱変形性等がより一層要求されている。

また、ヘッドボックス１４から噴出されたスラリー１５はヘッドボックス１４の先端を起点に下流に行く程同伴空気層（不図示）を成長させる。一方抄網１２にも同伴空気層が成長している。従ってスラリー１５の抄網１２への着地点において同伴空気層の逃げ場がなくなり、スラリー１５の表裏面の凹凸を増長するという問題があった。

また、従来のアルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミックスからなる抄網支持部材１では、どれも特性的に劣る項目があった。

引用文献１〜３に示すような窒化珪素質セラミックスを用いた抄網支持部材では、先端部３の表面は入念な仕上げ加工が施してあるにもかかわらず、平均結晶粒径が大きいことから、焼結体中に気孔が多数介在することになり、焼結体の曲げ強度や硬度が低下しすぎて平坦度は１５０〜５００μｍ程度にしか保てず、さらに磨耗等も加わることから抄紙の均一な品質を保つことができなかった。

また、これらの抄網支持部材を成す窒化珪素質焼結体は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３などの金属酸化物を添加して液相焼結したもので、３点曲強度、破壊靭性値、耐熱衝撃性等が十分でないことから、抄網支持部材１１の先端部３に欠けやクラックが発生しやすく、抄網１２の寿命を低下させたり、あるいは抄網１２からの脱水作用が小さくなり、抄紙の品質が均一されず、紙質が低下へつながるなどの問題点があった。

また、引用文献４に示すような窒化珪素質セラミックスを用いた場合には、焼結助剤にＭｇＯ、Ｙｂ_２Ｏ_３を用いており、結果として焼結時に液相を生じ焼結を促進するとともに粒界相を結成するが、その一部が液相から析出する窒化珪素粒子中に固溶して窒化珪素中の欠陥として存在し、また、その平均長軸径は０．４５〜０．７５μｍ、平均短軸径は０．２〜０．４μｍと著しく小さく、難加工性となることから、加工後の平坦度を確保することは難しかった。

そして、特許文献５の窒化珪素質セラミックスを用いた場合には、機械的強度が十分でないという問題があった。例えば、窒化珪素質セラミックスに圧縮、引張り、ねじり等の力を受けて機械的応力がかかる場合があるが、その際に、粒界相中に金属珪化物を含有させているので、単独の金属珪化物に応力が集中やすい。そのため、応力が集中した金属珪化物が破壊源となって窒化珪素質の結晶と金属珪化物との間に亀裂が生じ、その結果、機械的強度が低下するという問題点を有していた。

また、特許文献５、６の窒化珪素質セラミックスを用いた場合には、Ｗを含有しない場合、Ｆｅ等の不純物の多い窒化珪素出発原料を使用すると、Ｆｅ等の不純物の周囲に粒界相が著しく偏析し、その結果機械的特性が劣化した。また、特許文献７の窒化珪素質セラミックスを用いた場合には、粒界相に硬度の小さい高融点金属−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｏからなる化合物を含んでいるため、結果として優れた機械的特性が得られないという問題があった。

また、Ｗ珪化物とＦｅ珪化物をそれぞれ単独で分散させると、Ｆｅ珪化物の周囲に粒界相が著しく偏析して機械的強度が低下するという問題があった。

一方、窒化珪素質の結晶と含有させる複数の金属珪化物との熱膨張係数の差が大きい材料では、耐熱衝撃性が低いという問題もあった。例えば、金属珪化物としてＷの珪化物とＦｅの珪化物を含有する場合、窒化珪素の結晶とＷの珪化物や、窒化珪素の結晶とＦｅの珪化物の熱膨張係数の差が大きい。そのため、熱衝撃を受けて窒化珪素質セラミックスに熱応力がかかった場合、窒化珪素質の結晶と金属珪化物との間に亀裂が生じやすくなり、耐熱衝撃性が低下していた。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであってその目的は、寿命を長くし、しかも長期間にわたって抄紙品質を維持させることができ、近年の高速抄紙機に好適に用いることできる抄網支持部材を提供することにある。

本発明においては、抄紙機における抄網に当接し支持する部材であって、少なくとも先端部が結晶平均アスペクト比５〜１０の窒化珪素質セラミックスからなり、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、長さ１０ｍ当たりの平坦度が１０〜１００μｍであることを特徴とする。

また、上記先端部材の先端部の曲率半径を０．１〜０．３ｍｍとすることを特徴とする。

さらに、上記先端部材が、窒化珪素の結晶とＦｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種の第１の金属元素からなる第１の金属珪化物および上記第１の金属元素よりも融点の高い第２の金属元素からなる第２の金属珪化物を含む粒界相とを有した窒化珪素質セラミックスよりなることを特徴とする。

またさらに、上記第２の金属元素がＷ、Ｍｏのうち少なくとも１種であることを特徴とする。

さらにまた、上記第１の金属珪化物を第１の金属元素の合計換算で０．２〜１０質量％、上記第２の金属珪化物を第２の金属元素の合計換算で０．１〜３質量％含有することを特徴とする。

また、上記第１の金属珪化物としてＦｅＳｉ_２、上記第２の金属珪化物としてＷＳｉ_２が選ばれることを特徴とする。

また、上記第１の金属珪化物および上記第２の金属珪化物の平均粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明の抄網支持部材の製造方法は、Ｓｉ粉末、もしくはＳｉ粉末と窒化珪素粉末の混合粉末と、請求項１〜９のいずれかに記載の第１の金属元素の化合物からなる平均粒径０．１〜２０μｍの粉末と、請求項１〜９のいずれかに記載の第２の金属元素の化合物からなる平均粒径０．１〜３０μｍの粉末とを混合して混合粉末を作成する粉末混合工程と、上記混合粉末と有機結合剤とからなる成形体を作成する成形工程と、実質的に窒素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガスからなる雰囲気中で上記有機結合材を脱脂して脱脂体を作成する脱脂工程と、上記脱脂体を実質的に窒素ガスからなる雰囲気中で窒化体に変換する窒化工程と、上記窒化体を窒素ガスを含有する非酸化性雰囲気中で焼成してセラミックスを作成する焼成工程とを有し、上記窒化工程および上記焼成工程における雰囲気中の窒素ガス分圧が５〜２０×１０^−２Ｎ／ｍ^２であることを特徴とする。

また、請求項１〜７のいずれかに記載の抄網支持部材を用いることを特徴とする。

本発明においては、抄紙機における抄網に当接支持する部材であって、少なくとも先端部が結晶平均アスペクト比５〜１０の窒化珪素質セラミックスからなり、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度が１０〜１００μｍであることにより、スラリーと抄網間に形成される空気流を排出できるようにして、抄網へのスラリーの着地条件に拘わらず、空気による湿紙形成への障害を防止でき、刃先の抄網に対する接触状態を最良に保つことで抄網から抄網支持部材への熱の放散を容易にすることにより、抄網支持部材のクラックの発生を防止して高品質の紙を高速度で抄造することを可能にする抄紙機を提供することができる。

また、上記先端部材の先端部の曲率半径を０．１〜０．３ｍｍとすることにより、十分な脱水作用を成すことができ、なおかつ支持部材および抄網の双方の寿命を長くすることができる。

また、上記先端部材が、窒化珪素の結晶とＦｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種の第１の金属元素からなる第１の金属珪化物および上記第１の金属元素よりも融点の高い第２の金属元素からなる第２の金属珪化物を含む粒界相とを有した窒化珪素質セラミックスよりなることにより、単独の金属珪化物に機械的応力や熱応力が集中するのを抑制し、これにより、窒化珪素質セラミックスの機械的特性、耐熱衝撃性を向上させることができるのを初めて見出した。すなわち、本件発明によれば、破壊靭性値６．０ＭＰａ√ｍ以上、四点曲げ強度８００ＭＰａ以上、耐熱衝撃性８００℃以上と大きくすることができ、抄網支持部材先端部のチッピングや割れ、クラックの発生を少なくできる。

また、上記第１の金属珪化物を第１の金属元素の合計換算で０．２〜１０質量％、上記第２の金属珪化物を第２の金属元素の合計換算で０．１〜３質量％含有することにより、機械的強度と耐摩耗性の機械的特性を同時に向上させることができ、機械的応力を連続して印加した場合の耐疲労破壊特性を向上させることができる。

また、上記第１の金属珪化物としてＦｅＳｉ_２、上記第２の金属珪化物としてＷＳｉ_２が選ばれることにより、高硬度で大きな耐摩粍性を備えるとともに、摺動性に優れて抄網に対する摩耗が小さくなる。

また、上記第１の金属珪化物および上記第２の金属珪化物の平均粒径が３０μｍ以下であることにより、金属珪化物が破壊源とならず機械的強度を著しく向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の抄網支持部材の一実施形態を示す斜視図であり、図２は本発明の抄網支持部材を用いた抄紙機を示す概略斜視図である。

本発明の抄網支持部材１１は、抄紙機における抄網に当接支持する部材であって、ベース１とこれに固着された先端部材２とからなり、先端部材２は上記アルミナ質セラミックスからなり、その先端部３は窒化珪素質セラミックスからなり、鋭角に形成されている。

そして、この抄網支持部材１１を図２に示すように支持台１６に固着して抄紙機に組み込み、パルプ原料からなるスラリー１５を抄網１２に供給するとともに、この抄網１２をかかる抄網支持部材１１上で摺動させ脱水作用を行う。

また、この抄網支持部材１１を抄紙機の構成は図２に示す通り、ロール１３によって矢印方向に搬送される抄網１２と、抄網１２の下方に配置された抄網支持部材１１からなり、抄網１２の上部にパルプ原料からなるスラリー１５を入れたヘッドボックス１４を配置して、スラリー１５を抄網１２に供給するようになっている。そして、抄網支持部材１１で抄網１２を支持するとともに、スラリー１５の脱水を行う。

ここで、本発明の抄網支持部材１１は、少なくともその先端部３が結晶平均アスペクト比５〜１０の窒化珪素質セラミックスからなり、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度が１０〜１００μｍであることが重要である。

これにより、スラリー１５と抄網１２との間に形成される空気流の発生を押さえ、同伴空気層の逆流や混合によるスラリー１５表裏面の乱れを最小限に抑えることができ、抄網１２へのスラリー１５の着地条件に拘わらず、空気による湿紙形成への障害を防止でき、また、抄網１２から抄網支持部材１１への熱の放散を容易にすることにより、抄網支持部材１１のクラックの発生を防止して高品質の紙を高速度で抄造することを可能にする抄紙機を提供することができる。

この現象は次のようなことに起因して生じるものと考察される。高速抄紙が行なわれるようになり、抄網１２に同伴する空気量、速度が増加するようになった。そして形成された紙表面の平滑度を上げるため、より通気性の低い抄網１２が用いられるようになった結果、抄網１２の通気抵抗が増大し、同伴空気層の逃げ道の確保が難しくなった。

さらに、スラリー１５の表面粗さは速度の２乗に比例して粗くなるので、凹凸間に同伴空気が保持され易くなった。これに対し、抄網１２に当接する抄網支持部材１１は機械的特性が高いのに平均結晶粒径が１５μｍ以下と小さいことから加工性が良いため、抄網１２に対する接触状態を最良に保ち、抄網１２との間の同伴空気層を押さえるとともに、抄網１２の形状（平坦度）を良好にすることができる。

また、結晶平均アスペクト比５〜１０のから形成することにより、針状結晶組織となるため、組織中に発生する強度低下の原因となる欠陥寸法や機械的、熱的残留応力を緩和することで抑えることができ、機械的特性や耐熱衝撃性を著しく向上させることができる。

この結晶平均アスペクト比が５より小さいと針状結晶組織を十分に形成することができず、逆に、結晶平均アスペクト比が１０より大きいと、結晶同志の接合面積が小さくなり機械的、熱的応力を十分緩和することができないため、いずれも機械的特性や耐熱衝撃性を著しく向上させることができない。さらに、このアスペクト比は７〜９とすることがより好ましく、これによりさらに特性を向上させることができる。

なお、先端部３を成す窒化珪素質セラミックスの結晶平均アスペクト比を５〜１０とするには、β化率４０％以下の窒化珪素質粉末であって、含有するβ型窒化珪素質部のｚ値（ｚ値はβ−Ｓｉ_３Ｎ_４結晶内へＡｌ、Ｏ、Ｎ成分が固溶したβ−サイアロンＳｉ_６−ｚＡｌ_ｚＯ_ｚＮ_８−ｚ結晶の係数）が０．５以下である粉末と、添加物成分としてＹ_２Ｏ_３粉末と、Ａｌ_２Ｏ_３粉末と、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末と、あるいはＷＯ_３粉末とを混合、成形し、窒素分圧５０〜３００ｋＰａ、温度１８００℃以下において開気孔率５％以下となるまで焼成し、その後、相対密度９６％以上となるまで緻密化させ、β化率は４０％以下、望ましくは１０％以下、ｚ値を０．５以下とすることで得られる。

同時に、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度を１０〜１００μｍとすることにより、先端部３の抄網１２に対する接触状態を最良に保つことができ、抄網１２との間の同伴空気層を押さえることができ、抄網１２の平坦度を良好に保つことができる。

本発明の抄網支持部材１１は、幅３０〜１００ｍｍ、長さ１〜１０ｍ程度の非常に長尺状であるため、その全長にわたって平坦度を小さいものに保持することは困難である。そのため、上述のように幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度を１０〜１００μｍとすることにより、複数の先端部３を接合することにより得られる抄網支持部材１１の平坦度も小さなものとすることができる。なお、上記平坦度は５０μｍ以下とすることがより好ましい。

また、このように長尺の抄網支持部材１１を得るためには、先端部３を有する長さ５０ｍｍ程度の先端部材２を並べて支持台１６に接着剤にて貼り付け、先端部３の幅１０〜４０ｍｍ、長さを１〜１０ｍ程度とする。この後、最終研削工程としてカップ型のバーチカル研削盤（不図示）にて表面を研削加工し、さらにＰＶＡ研磨にて面出しを行う。

なお、上記平坦度の測定には、直定規（長さ０．５〜１ｍ）とダイヤルゲージを用いて測定した。具体的には、直定規の両端を調整式及び固定式支持具に載せ、測定面から等距離になるようにして対角線方向に置き、対角線に沿って測定を繰り返し（繰り返しの対角線の全長が抄網支持部材１１の全長に対する対角線の長さとなる）、測定値を中央線の測定値を基準に補正した後、線図に記録する。この２つの対角線によって決まる平面を基準として他の全ての点の測定値を補正し、その補正値の最大値を平坦度とした（ＩＳＯＴＲＢ０００３、方法８．２．1参照）。

また、本発明の抄網支持部材１１は、先端部３の曲率半径を０．１〜０．３ｍｍとすることが好ましい。

これにより、十分な脱水作用を成すことができ、かつ支持部材１１および抄網１２の双方の寿命を長くすることができる。

曲率半径を０．１ｍｍ未満とするとチッピングの発生を防ぐことができず、逆に０．３ｍｍを超えると十分な脱水作用を成すことができない。

なお、先端部３の曲率半径を上記のように加工するには、焼成後にダイヤモンド砥石にて機械加工し、その先端部３を所定の角度に仕上げる。

また、本発明の抄網支持部材１１における少なくとも先端部３を成す上記窒化珪素質セラミックスが、窒化珪素の結晶とＦｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種の第１の金属元素からなる第１の金属珪化物及び上記第１の金属元素よりも融点の高い第２の金属元素からなる第２の金属珪化物を含む粒界相とを有することが好ましい。

窒化珪素の結晶としては、主に針状に形成されたものであり、β型窒化珪素結晶またはβ型窒化珪素と同じ結晶構造を有するβ’−サイアロン結晶がある。その平均粒径は３０μｍ以下であることが好ましい。この場合の平均粒径は、針状に形成された結晶の長径の平均粒径で示している。これにより、機械的強度等の機械的特性や、耐熱衝撃性等の熱的特性を向上させると同時に、加工性が向上することにより上述のように幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度を１０〜１００μｍとすることができる。

なお、平均粒径の測定には次のような方法で測定する。窒化珪素質セラミックスからなる抄網支持部材１１の断面を鏡面研磨し、この鏡面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真に撮り、ＳＥＭ写真に写っている窒化珪素の結晶の長径を測定する方法、Ｘ線マイクロアナライザーを併用して窒化珪素の結晶を特定し、その結晶の長径を測定する方法、又は鏡面加工した窒化珪素質焼結体の面にある粒界相を熱処理によるエッチングや化学的エッチング処理により表面から除去後に長径を測定する方法がある。いずれの場合も、測定された複数の長径データを平均化して算出される。

また、粒界相として、第１の金属元素からなる第１の金属珪化物及び上記第１の金属元素よりも融点の高い第２の金属元素からなる第２の金属珪化物を含むことにより、これら金属珪化物は硬質の粒子であるため、耐摩耗性を向上させ、またクラックの伝搬を阻害することにより機械的強度を向上させることができるため、先端部３の平坦度を精度良く加工することができるとともに、長尺状に組み立てた際の平坦度も上記の範囲にすることができる。

なお、金属珪化物として、上記第１、第２の金属珪化物の他に、第１の金属元素と第２の金属元素を含む複数金属成分からなる第３の金属珪化物を有するものであってもよい。

また、上記第１の金属珪化物を第１の金属元素の合計換算で０．２〜１０質量％、上記第２の金属珪化物を第２の金属元素の合計換算で０．１〜３質量％含有することが好ましい。

このような窒化硅素質セラミックスからなる抄網支持部材１１は、破壊靭性値６．０ＭＰａ√ｍ以上、四点曲げ強度８００ＭＰａ以上となり、脱粒による摩耗を効果的に抑制でき、その結果、耐摩耗性、耐チッピング性が非常に向上し、長寿命化が達成される。また、熱的特性においても耐熱衝撃性が８００℃以上と大きく向上し、抄網支持部材先端部の割れ、クラックの発生を少なくできる。

また、上記粒界相とは、窒化珪素の結晶粒子間に囲まれる領域を指しており、粒界相中には第１、第２の金属珪化物が単独で存在するものもあれば、隣接相として存在しているものもある。この隣接相とは、第１金属珪化物、第２金属珪化物が隣接している状態で形成しているものであればよく、より好ましくは第１、第２の金属珪化物のうち、一方が他方の一部又は全部を取り囲んでいる包晶として存在する状態である。

ここで、具体的に図３を用いて説明する。

図３は本発明の抄網支持部材１１の先端部３における窒化珪素質セラミックスの断面３０を鏡面研磨し、この鏡面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した写真の模式図を示している。

上記第１、第２の金属珪化物３６、３８が粒界相中で隣接相３４を形成していると、金属珪化物が単独で存在する場合に比べて、金属珪化物に機械的応力や熱応力が集中するのをより効率よく抑制することができる。これにより、抄網支持部材の機械的特性、耐熱衝撃性を向上させることができる。即ち、隣接相３４を形成している第１、第２の金属珪化物３６、３８は、粒界相に対して占める割合が高くなるため、機械的、熱的応力が加わった場合に応力を集中して受け易い。したがって、単独に存在している第１、第２の金属珪化物３６、３８に対しては、機械的応力や熱応力がよりかかりにくくなる。

そして、第１、第２の金属珪化物３６、３８は、窒化珪素に対してそれぞれヤング率が大きく、温度に対する熱膨張係数の変化率が小さいため、隣接相３４に応力が集中しても、隣接相３４は窒化珪素の結晶が機械的、熱的応力に抗して弾性変形することを促進するものと考えられる。そのため、抄網支持部材１１に微細な亀裂が発生しても隣接相３４が窒化珪素の結晶の亀裂の進展を抑制することができ、割れやクラックの発生を抑制できる。

特に、上記第１、第２の金属金属珪化物３６、３８が隣接相３４を形成した場合、金属珪化物は部材の表面も微細な結晶で均一に分散することとなり、加工性を良好にするとともに加工面も均一となり、平坦度の向上につながることとなる。

この理由は、次のように考えられる。上記第１の金属珪化物３６は、窒化珪素の結晶３２の粒界相４０に粒成長して偏在しやすい性質を持っており、第１の金属珪化物３６が粒成長すると、窒化珪素質セラミックスの機械的強度が小さくなるという問題が起こりやすい。そこで、この粒成長を抑えるために第２の金属珪化物３８が第１の金属珪化物３６を取り囲む隣接相３４を形成し、第１の金属珪化物３６を微細な結晶３２にして均一に分散させることにより、機械的特性のより優れた部材を得ることができる。

また、隣接相３４の含有量は０．０１〜１０体積％であることが耐熱衝撃性および機械的強度を特に向上させることができるので好ましく、特に好ましくは、０．１〜５体積％、最適には０．１〜１体積％である。

また、上記第１の金属元素としてＦｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕの少なくとも１種とすることにより、窒化工程においてＳｉ粉末中に固溶して、Ｓｉ粉末の窒化反応（Ｎ（窒素）がＳｉへ拡散して窒化珪素を生成する反応）を促進させる。そして、窒化中に上記第１の金属珪化物の前駆体と第２の金属珪化物の前駆体とが一部固溶した微細な隣接相の前駆体を窒化体中に形成させることができ、これによって焼成工程で１の金属珪化物が、第２の金属珪化物に取り囲まれて隣接相を容易に形成することができるためである。

さらに、第２の金属元素として、第１の金属元素よりも融点の高い金属元素とすることで、低融点の第１金属珪化物を高融点の第２金属珪化物が取り囲んで隣接相を形成しやすくなり、例えば第１金属珪化物が高温の酸素と反応してＦｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ等の金属酸化物を生成し、これが不純物となって脱離等の原因となるのを抑制することができる。

特に、第１の金属元素がＦｅ、第２の金属元素がＷであることが好ましい。

この理由は、第１の金属元素からなる第１金属珪化物のうちのＦｅ珪化物と、第２の金属元素からなる第２金属珪化物のうちのＷ珪化物は結晶構造が近似しているので、互いに隣接相を著しく形成し易いためである。従って、粒界相に対する隣接相の含有割合が増加し、その結果、機械的特性と熱的特性、特に機械的強度と耐熱衝撃性がさらに向上する。

なお、第１金属珪化物としては、ＦｅＳｉ_２、ＦｅＳｉ、Ｆｅ_３Ｓｉ、Ｆｅ_５Ｓｉ_３、Ｃｒ_３Ｓｉ_２、ＭｎＳｉおよびＣｕ_２Ｓｉから選択された少なくとも１種が好ましい。また、第２金属珪化物としては、ＷＳｉ_２、Ｗ_５Ｓｉ_３、ＷＳｉ_３、Ｗ_２Ｓｉ_３およびＭｏＳｉ_２から選択された少なくとも１種が好ましい。さらに、第３金属珪化物としては、ＦｅとＷを含む複数金属成分（化合物）、例えば、ＦとＷを含む固溶体であることが好ましい。これらの金属珪化物が好ましい理由は、これらの金属珪化物が熱力学的な安定相であるためである。熱力学的に安定相であると、機械的応力や熱応力がかかった場合でも相変態を起こしにくいので、相変態に伴う更なる機械的応力や熱応力の増大の恐れがない。

また、第１金属珪化物のＦｅ珪化物としては、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ_２のうちの少なくとも１種が好ましく、より好ましくは、ＦｅＳｉ_２とするのがよい。また、第２金属珪化物のＷ珪化物は、ＷＳｉ_２を含有することが好ましい。

最も好ましい組み合わせは、第１金属珪化物としてＦｅＳｉ_２と第２金属珪化物としてＷＳｉ_２がよい。この理由としては、ＷＳｉ_２とＦｅＳｉ_２は共に環境温度が変化したとしても特に安定する相であり、また、両者の結晶構造が特に近似しているためである。そのため、Ｗ珪化物の中でも特に隣接相を形成し易く、かつ、ＦｅＳｉ_２を含む隣接相を窒化珪素質焼結体中に均一に分散させることができる。従って、第１金属珪化物としてＦｅＳｉ_２を有し、第２金属珪化物としてＷＳｉ_２を有すると、窒化珪素質セラミックスの機械的特性と熱的特性をさらに向上できる。

また、上記第１の金属珪化物を第１の金属元素の合計換算で０．２〜１０質量％、上記第２の金属珪化物を第２の金属元素の合計換算で０．１〜３質量％含有することがより好ましい。

第１の金属珪化物を第１の金属元素の合計換算で０．２〜１０質量％とすることで、機械的強度と耐摩耗性の機械的特性を同時に向上させることができる。また、機械的応力を連続して印加した場合の耐疲労破壊特性を向上させることができる。特に高温の環境下でも粒界相の破壊靱性を高くすることができる。また、第２の金属珪化物を第２の金属元素の合計換算で０．１〜３質量％含有させることで、窒化珪素の結晶と上記第２の金属珪化物との熱膨張の差による窒化珪素質セラミックスのクラック発生を防止し、破壊靱性値等の機械的強度をさらに向上させることができる。

上記第１金属珪化物が０．２質量％未満、第２の金属珪化物が０．１質量％未満であると、上記隣接相を形成しにくく、機械的強度を著しく向上させることができない。一方、第１金属珪化物が１０質量％を、第２の金属珪化物が３質量％をそれぞれ越えると、窒化珪素の結晶と上記第１、第２の金属珪化物との熱膨張の差によってクラックが発生しやすく、機械的強度または破壊靱性値を著しく向上させることができない。

なお、第１の金属珪化物、第２の金属珪化物、隣接相の存在は、微小部Ｘ線回折法、Ｘ線回折法、Ｘ線マイクロアナライザー（例：波長分散型ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｚｅｒ））、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）等により確認することができる。Ｘ線回折法を用いる場合は、Ｘ線マイクロアナライザーまたはＴＥＭを併用して測定することが好ましい。

また、珪化物の含有量（体積％）の測定方法を図３に基づいて説明する。セラミックス断面３０を鏡面研磨し、鏡面３１の５００μｍ×５００μｍ程度の部分Ａ内をＸ線マイクロアナライザーを用いて、Ｓｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏの各元素の強度をマッピングし、Ｓｉを含有する部分の面積Ｃを測定し、上記部分Ａ内の面積に対する上記面積Ｃの割合を計算し、この割合を珪化物の含有量（体積％）とした。

同様に、隣接相３４の含有量は、Ａ内をＸ線マイクロアナライザーを用いて、Ｓｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏの各元素の強度をマッピングし、Ｓｉを含有しかつＷまたはＭｏのうち少なくとも一方がリッチな第１の部分と、Ｓｉを含有しかつＦｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種がリッチな第２の部分を明らかにし、上記第１の部分と上記第２の部分のいずれか一方が他方を取り囲んでいる部分の面積Ｂを測定し、上記部分Ａ内の面積に対する上記面積Ｂの割合を計算し、この割合を隣接相３４の含有量（体積％）とする。

隣接相３４の平均粒径は３０μｍ以下が好ましく、特に好ましくは１〜５μｍである。平均粒径が３０μｍより大きいと、機械的、熱的応力を隣接相３４が十分緩和することができないため、機械的特性や耐熱衝撃性を著しく向上させることができないからである。この場合、隣接相３４の平均粒径は、焼結体を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で拡大して観察し、複数の隣接相３４の粒径を測定し平均した値であり、上述の窒化珪素の結晶の平均粒径を測定したのと同じように測定することができる。

また、上記第２の金属珪化物および上記第２の金属珪化物は、の出発原料、あるいは製造過程で不純物としても混入する場合があるが、最終的に含有される金属珪化物の量が上述の範囲であれば良い。

次に本発明の抄網支持部材の製造方法について説明する。

Ｓｉ粉末、もしくはＳｉ粉末と窒化珪素粉末の混合粉末と、Ｆｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種の第１の金属元素の化合物からなる平均粒径０．１〜２０μｍの粉末と、上記第１の金属元素よりも融点の高い第２の金属元素の化合物からなる平均粒径０．１〜３０μｍの粉末とを混合して混合粉末を作製する粉末混合工程と、上記混合粉末と有機結合剤とからなる成形体を得る成形工程と、実質的に窒素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガスからなる雰囲気中で上記有機結合材を脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、上記脱脂体を実質的に窒素ガスからなる雰囲気中で窒化体に変換する窒化工程と、上記窒化体を窒素ガスを含有する非酸化性雰囲気中で焼成する焼成工程とを有し、上記窒化工程および焼成工程における雰囲気中の窒素ガス分圧が５×１０^−２〜２０×１０^−２Ｎ／ｍ^２とすることが重要である。

詳細には、先ず出発原料として、Ｓｉ粉末と窒化珪素粉末の両方を用いた場合、Ｓｉ粉末と窒化珪素粉末の質量比（Ｓｉ粉末の質量）／（Ｓｉ粉末と窒化珪素粉末の質量の合計）が０．４〜０．９５であることが好ましい。この理由は、この比が０．４より小さいと得られる窒化珪素質セラミックスの寸法精度を高精度に制御することができないからであり、０．９５より大きいと肉厚の大きい窒化珪素質セラミックスを窒化する場合、窒化時間が多大となり製造コストが増加するため、共に好ましくないからである。

また、上記混合粉末と有機結合剤とからなる成形体を作製するのは、成形体を高密度にしかつ成形体内の密度のばらつきを小さくするためである。これによって、焼成中に窒化体の焼結がセラミックス全体に渡って均一に進行する。

また、実質的に窒素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガスからなる雰囲気中で上記有機結合材を脱脂して脱脂体を作製するのは、有機結合剤に含まれる炭素を低減することにより、焼成工程において上記第１の金属珪化物および上記第２の金属珪化物の偏析を抑制し、セラミックス全体に均一に分散させることができるからであると考えられる。

また、上記脱脂は上記成形体を炉内へ載置して行う。この際、実質的に窒素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガスからなる雰囲気で上記成形体を脱脂するためには、炉内へ投入する窒素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガスの酸素ガス濃度が１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

また、上記脱脂工程においては実質的に窒素ガスからなる雰囲気中で脱脂することが好ましい。ヘリウムや水素などの高価なガスを含む雰囲気中で脱脂すると製造コストが増加するため好ましくない。また、脱脂温度は好ましくは１０００℃以下、特に好ましくは５００〜９００℃である。

ここで、本発明の抄網支持部材を構成するに上記隣接相を含有させるためには、以下のような方法で得ることができる。

隣接相の形成メカニズムは、例えば、第１、第２の金属元素の化合物からなる粒子が互いに隣接しながら窒化されると、第１金属珪化物前駆体、第２金属珪化物前駆体のいずれか一方が他方に固溶した固溶体と、第１、第２の金属珪化物前駆体の何れかが隣接した隣接相前駆体が形成される。この隣接相前駆体は焼成工程で第１、第２の金属珪化物とが隣接した隣接相となる。

具体的には、窒化工程中に第１の金属元素の化合物、第２の金属元素の化合物、第１および第２の金属元素の化合物がそれぞれＳｉ成分と反応し、それぞれ第１金属珪化物前駆体、第２金属珪化物前駆体となり、さらに、それぞれの前駆体が接した隣接相前駆体を形成する。

ここで、第1金属珪化物前駆体、第２金属珪化物前駆体、隣接相前駆体とは、非晶質あるいは一部結晶化していない物質を示している。

窒化工程により隣接相前駆体が形成されるのは、原料粉末中に、第１の金属元素の化合物からなる粒子と、第２の金属元素の化合物からなる粒子が互いに固着しているため、互いに固着した粒子が隣接しながら窒化されるからである。原料粉末中にＳｉ粉末を含有させるのは、窒化工程において、第１、第２の金属元素とＳｉとの反応を促進して隣接相前駆体を形成させるためである。

原料粉末にＳｉ粉末を含まないと、第１、第２の金属元素とＳｉとの反応を促進されないので隣接相前駆体を含む窒化体を得ることができないこのような窒化体に含まれる隣接相前駆体は、焼成工程で結晶化し、隣接相となる。なお、焼結体中の第１、第２の金属元素の含有量が同じ場合でも、特に窒化工程の温度、保持時間を制御することにより隣接相の含有量を制御することができる。

得られた焼結体は、ダイヤモンド砥石にて機械加工し、その先端部の表面粗さ、曲率半径等を所定の値に仕上げて抄網支持部材とする。さらに、単体サイズ長さ５０ｍｍ程度の抄網支持部材を並べて基材に接着剤にて貼り付け、長さ１０００ｍｍ程度とし、この後、最終研削工程としてバーチカル研削盤（カップ型）にて表面を研削加工し、さらにＰＶＡ研磨にて面出しを行うことにより、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度が１０〜１００μｍ、先端部の曲率半径を０．１〜０．３ｍｍとする。

以下、本発明の実施例を説明する。

本実施例においては、上記先端部材全体を種々ので作製した。

先ず、出発原料として、平均粒径７μｍ、α化率を種々変えた窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末（Ｆｅ不純物含有量５００ｐｐｍ）と、平均粒径５μｍのＳｉ粉末（Ｆｅ不純物含有量８００ｐｐｍ）と、焼結助剤ならびに金属珪化物源となる金属化合物とを表１に示す割合で秤量し、これらの粉末を窒化珪素質粉砕用メディアを用いて、エタノール中でバレルミルにより粉砕混合した。粉砕混合後、得られたスラリーに有機結合材としてＰＶＡを添加混合、スプレードライヤーで造粒後、得られた造粒粉体を１トン／ｃｍ^２の圧力でプレス成形し、その後、３トン／ｃｍ^２の圧力で冷間静水圧成形（ＣＩＰ）により成形体を得た。

得られた成形体中に含まれる有機結合材を、表１に示す脱脂雰囲気中、６００℃で３時間保持して脱脂し、脱脂体を得た。

次に、表面が窒化珪素質から成るカーボン製のこう鉢中に脱脂体を載置し、表１に示す実質的に窒素からなる窒素分圧中、１１００℃で２０時間、１２００℃で１０時間、１２６０℃で５時間の各ステップ（各ステップ間は昇温速度５０℃／時間で昇温）で順次保持することによりＳｉをα化率９０％以上のＳｉ_３Ｎ_４に窒化し、さらに昇温して窒化工程と同じ窒素分圧中１７７０℃で１０時間保持して焼成した。

また、炭化珪素、アルミナ、金属珪化物を含有しない窒化珪素の各セラミックスについても同様な形状の試料を準備した。

各試料は、同一条件でダイヤモンド砥石にて機械加工し、その先端部を表面粗さＲａ２．０μｍ、７５°の角度で、曲率半径を０．２ｍｍに仕上げた。さらに、長さ５０ｍｍの複数の抄網支持部材を並べて基材に接着剤にて貼り付け、長さ１０００ｍｍとし、この後、最終研削工程としてバーチカル研削盤（カップ型）にて表面を研削加工し、さらにＰＶＡ研磨にて面出しを行い、抄網支持部材試料を作製した。

これらの各試料について試料断面を鏡面研磨し、Ｘ線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８６００Ｍ）によって任意の５００μｍ×５００μｍの領域（部分Ａ_１）内でＷ珪化物またはＭｏ珪化物のうち少なくとも１つの金属からなる金属珪化物が、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ珪化物の何れかよりなる第1の金属珪化物、およびＣｕ珪化物のうち少なくとも１つからなる金属珪化物と隣接相を形成しているかどうかを確認した。

また、隣接相の結晶構造をＴＥＭ、微少部Ｘ線回折装置、Ｘ線マイクロアナライザーを用いて調べた。さらに、セラミックス中に含まれる隣接相の含有量（体積％）を次のように測定した。セラミックス断面を鏡面研磨し、鏡面の５００μｍ×５００μｍ程度の部分Ａ_１内をＸ線マイクロアナライザーを用いて、３０００倍で試料の鏡面（面積Ａ_１）を観察した。そして、Ｓｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏの各元素の強度をカラーで表示し、Ｓｉを含有しかつＦｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種が観察面の他の部分よりも相対的に多い第１の部分と、Ｓｉを含有しかつＷまたはＭｏのうち少なくとも一方が観察面の他の部分よりも相対的に多い第２の部分とを明らかにし、第２の部分が上記第１の部分と互いに接している隣接相の面積Ｂ_１を測定し、上記部分Ａ_１内の面積に対する上記面積Ｂ_１の割合を計算し、この割合を隣接相の含有量（体積％）とした。結果を表１に示す。

そして、各試料の幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度を、ＩＳＯＴＲＢ０００３、方法８．２．１に記載の方法により測定し、中心を基準にして長さ１００ｍｍ当りに発生した欠けの個数を同時に測定した。結果は表２に示す通りである。

表２から明らかなとおり、アスペクト比５〜１０、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度が１０〜１００μｍの窒化硅素質セラミックスからなる試料Ｎｏ．４〜１４は、平均欠け発生個数の結果から、耐チッピング性が他の試料（Ｎｏ．１〜３、１５〜１９）に比し、優れていることがわかる。

また、試料Ｎｏ．４〜１４の中でも、第1の金属珪化物としてＦｅＳｉ_２を、第２の金属珪化物としてＷＳｉ_２を有することで隣接相を多く形成している試料Ｎｏ．５〜１２は、他の試料（Ｎｏ．２〜４、１３、１４）に比較して強度、耐磨耗性が向上することにより平均欠け個数が少なくできることがわかる。

さらに、隣接相を１．２〜３．０体積％と他の試料より多く形成している試料Ｎｏ．５〜８は、より平坦度が優れ、平均欠け個数もが少なくできることがわかった。

本発明の抄紙機用抄網支持部材の斜視図である。抄紙機の概略を示す説明図である。本発明の抄紙機用抄網支持部材のＳＥＭ写真の模式図である。

符号の説明

１：ベース、
２：先端部材、
３：先端部、
１１：抄網支持部材、
１２：抄網、
１３：ロール、
１４：ヘッドボックス、
１５：スラリー、
１６：支持台、
３０：断面、
３２：結晶、
３４：隣接相
３６：第１の金属珪化物、
３８：第２の金属珪化物、
４０：粒界相
４２：第３金属珪化物

Claims

抄紙機における抄網に当接支持する部材であって、少なくとも先端部が結晶の平均アスペクト比５〜１０の窒化硅素質セラミックスからなり、幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ当たりの平坦度が１０〜１００μｍであることを特徴とする抄網支持部材。
上記先端部の曲率半径を０．１〜０．３ｍｍとすることを特徴とする請求項１に記載の抄網支持部材。
上記窒化硅素質セラミックスが、窒化珪素の結晶とＦｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種の第１の金属元素からなる第１の金属珪化物及び上記第１の金属元素よりも融点の高い第２の金属元素からなる第２の金属珪化物を含む粒界相とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の抄網支持部材。
上記第２の金属元素がＷ、Ｍｏのうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項３に記載の抄網支持部材。
上記第１の金属珪化物を第１の金属元素の合計換算で０．２〜１０質量％、上記第２の金属珪化物を第２の金属元素の合計換算で０．１〜３質量％含有することを特徴とする請求項３又は４に記載の抄網支持部材。
上記第１の金属珪化物としてＦｅＳｉ_２、上記第２の金属珪化物としてＷＳｉ_２が選ばれることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の抄網支持部材。
上記第１の金属珪化物および上記第２の金属珪化物の平均粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の抄網支持部材。
Ｓｉ粉末、もしくはＳｉ粉末と窒化珪素粉末の混合粉末と、Ｆｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１種の第１の金属元素の化合物からなる平均粒径０．１〜２０μｍの粉末と、上記第１の金属元素よりも融点の高い第２の金属元素の化合物からなる平均粒径０．１〜３０μｍの粉末とを混合して混合粉末を作成する粉末混合工程と、上記混合粉末と有機結合剤とからなる成形体を得る成形工程と、実質的に窒素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガスからなる雰囲気中で上記有機結合材を脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、上記脱脂体を実質的に窒素ガスからなる雰囲気中で窒化体に変換する窒化工程と、上記窒化体を窒素ガスを含有する非酸化性雰囲気中で焼成して窒化硅素質セラミックスを得る焼成工程とを有し、上記窒化工程および焼成工程における雰囲気中の窒素ガス分圧が５×１０^−２〜２０×１０^−２Ｎ／ｍ^２であることを特徴とする抄網支持部材の製造方法。
請求項１〜７のいずれかに記載の抄網支持部材を用いることを特徴とする抄紙機。