JP2006308081A - Valve member and its manufacturing method as well as valve using the same - Google Patents
Valve member and its manufacturing method as well as valve using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006308081A JP2006308081A JP2006069472A JP2006069472A JP2006308081A JP 2006308081 A JP2006308081 A JP 2006308081A JP 2006069472 A JP2006069472 A JP 2006069472A JP 2006069472 A JP2006069472 A JP 2006069472A JP 2006308081 A JP2006308081 A JP 2006308081A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- valve member
- silicon nitride
- metal
- sintered body
- valve
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Taps Or Cocks (AREA)
Abstract
Description
本発明は、各種化学プラント、鉄鋼、排煙脱硫等で腐食ガス、固形分を含む液、腐食液、粉体などの流体を閉止、制御する弁体、弁箱等の弁部材とその製造方法、またそれを用いたバルブに関する。 The present invention relates to valve members such as valve bodies and valve boxes for closing and controlling fluids such as corrosive gases, liquids containing solids, corrosive liquids, and powders in various chemical plants, steel, flue gas desulfurization, etc. And a valve using the same.
従来より、バルブに使用される弁部材として弁体、弁箱等があり、例えば、図7に示すようなボールバルブ101では、図6に示すようなセラミック製のボール弁体102が使用されており、ボール弁体102を開閉する駆動力はステム104の端部よりボール弁体102のコーナーに丸みがついた長方形の溝105に伝達されるので、ボール弁体102の溝105にはステム104の駆動力を受け、溝105の近傍のボール弁体102内部には複雑な引っ張り応力が発生する。
Conventionally, there are a valve body, a valve box and the like as a valve member used for a valve. For example, in a
つまり、ボール弁体102を保持し、ボールバルブ101の間をシールするバルブシート106の部分に例えばスラリーなどが固着すると、ボール弁体102を駆動する開閉力が大きくなり、セラミック部分に発生する応力が材料強度を超え、破損することがある。
In other words, when slurry or the like adheres to the portion of the valve seat 106 that holds the
このため、材料強度を向上させるべく、例えばアルミナ成分を90質量%以上含有するアルミナ、部分安定化ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素などのセラミックスが使用されている。特に、これらの中で窒化珪素は熱衝撃負荷に対して強く急激な温度変化による破損が少ないことが知られている。例えば、特許文献1、2には、窒化硅素質焼結体を用いたボール弁体102が示されている。
For this reason, in order to improve the material strength, ceramics such as alumina, partially stabilized zirconia, silicon carbide, and silicon nitride containing 90% by mass or more of an alumina component are used. In particular, it is known that silicon nitride is strong against a thermal shock load and is not easily damaged by a rapid temperature change. For example,
また、ボール弁体102として用いる際に要求される強度や破壊靭性などの機械的特性及び熱的特性、耐熱衝撃性強度を満たす窒化硅素質焼結体として、特許文献3に、不純物としてFeを含み、さらにWを少量添加することにより、高強度で特性のばらつきを抑制することが提案されている。また、特許文献4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粒界相に分散させてなる窒化珪素質焼結体が、また、特許文献5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窒化珪素質焼結体が記載されている。さらに、特許文献6には粒界相に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窒化珪素質焼結体がそれぞれ提案されている。
しかしながら、特許文献3〜6の窒化珪素質焼結体をボール弁体102などの弁部材として用いた場合、通常、窒化珪素質焼結体の粒界相中に金属の珪化物を有するが、圧縮、引張り、ねじり等の力を受けて機械的応力がかかった場合、粒界相中の金属珪化物に応力が集中しやすい。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、長期間の使用において弁部材が破損しやすいという課題を有していた。
However, when the silicon nitride-based sintered body of
また、上記金属珪化物は、弁部材中に均一に分散しているため、金属珪化物の濃度が内部と表面ではほぼ同等となりやすい。これにより、機械的強度、耐熱衝撃性が低い金属珪化物が弁部材自体のこれら特性を低下させやすく、特に寒冷地で火力発電所の排煙脱硫装置に使用する場合に、高温の流体を流した際に破損しやすく、熱衝撃負荷(ヒートショック)に対して十分なものではなかった。 Further, since the metal silicide is uniformly dispersed in the valve member, the concentration of the metal silicide is likely to be substantially equal between the inside and the surface. This allows metal silicides with low mechanical strength and thermal shock resistance to easily degrade these characteristics of the valve member itself, especially when used in flue gas desulfurization equipment in thermal power plants in cold regions. It was easily damaged and was not sufficient for thermal shock load (heat shock).
上記課題を解決するため、本発明の弁部材は、窒化珪素質焼結体からなり、液体の流路の少なくとも一部を構成する溝または穴部を備えた液体用の弁部材であって、該弁部材を成す窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主成分とする結晶相と、Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Ti、ZrおよびCuのうち少なくとも1種の第1の金属元素の珪化物からなる第1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の金属元素の珪化物からなる第2金属珪化物を含む粒界相とを有し、且つ上記溝または穴部の表面における上記第1の金属珪化物および第2の金属珪化物のそれぞれの濃度が上記窒化硅素質焼結体の内部より低いことを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the valve member of the present invention is a valve member for liquid comprising a groove or hole made of a silicon nitride sintered body and constituting at least a part of a liquid flow path, The silicon nitride sintered body constituting the valve member includes a crystal phase mainly composed of silicon nitride and at least one first metal element selected from Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Ti, Zr, and Cu. And a grain boundary phase containing a second metal silicide composed of a silicide of a second metal element having a melting point higher than that of the first metal element. Or each density | concentration of the said 1st metal silicide in the surface of a hole part and a 2nd metal silicide is lower than the inside of the said silicon nitride sintered body, It is characterized by the above-mentioned.
また、本発明は、前記弁部材は、中央部に貫通孔を備えた球状体であることを特徴とするものである。 Further, the present invention is characterized in that the valve member is a spherical body having a through hole in a central portion.
さらに、本発明の弁部材は、上記金属元素がFe、Cuのうち少なくとも1つであることを特徴とするものである。 Furthermore, the valve member of the present invention is characterized in that the metal element is at least one of Fe and Cu.
またさらに、本発明の弁部材は、上記第1の金属珪化物をFe、Cuの合計換算で0.01〜10質量%含有することを特徴とするものである。 Furthermore, the valve member of the present invention is characterized in that the first metal silicide is contained in an amount of 0.01 to 10% by mass in terms of the total of Fe and Cu.
また、本発明の弁部材は、上記粒界相に周期律表第3族元素(RE)、AlおよびOからなる非晶質相を含有することを特徴とするものである。
The valve member of the present invention is characterized in that the grain boundary phase contains an amorphous phase composed of
さらにまた、本発明の弁部材は、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ものである。 Furthermore, the valve member of the present invention is characterized in that the second metal element is at least one of W and Mo.
そして、本発明の弁部材の製造方法は、上記いずれかに記載の弁部材の製造方法であって、所定の原料粉末である窒化珪素粉末と、融点が1000℃以上のうち少なくとも1つの金属元素(Siを除く)からなる金属化合物とを混合して原料粉末を作製する原料作製工程と、前記原料粉末と有機結合剤とからなる成形体を作製する成形工程と、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前記有機結合材を脱脂して脱脂体を作製する脱脂工程と、前記脱脂体を窒素ガスの含有する非酸化性雰囲気中で焼成する焼成工程から得られた後、得られた焼結体をpH3以下の水溶液に浸漬するか、またはハロゲン化物からなる気体に暴露した後、外面を研磨加工する工程を有することを特徴とするものである。 And the manufacturing method of the valve member of this invention is a manufacturing method of the valve member in any one of the above, Comprising: The silicon nitride powder which is predetermined raw material powder, and at least 1 metal element among melting | fusing point is 1000 degreeC or more A raw material preparation step of preparing a raw material powder by mixing a metal compound (excluding Si), a forming step of forming a formed body of the raw material powder and an organic binder, and substantially nitrogen gas and argon Obtained from a degreasing step of degreasing the organic binder in an atmosphere composed of a gas or a mixed gas thereof to produce a degreased body, and a firing step of firing the degreased body in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen gas After that, the obtained sintered body is immersed in an aqueous solution having a pH of 3 or less, or exposed to a gas comprising a halide, and then the outer surface is polished.
また、本発明のバルブは、前記弁部材を用いたことを特徴とするものである。 The valve of the present invention is characterized by using the valve member.
本発明の弁部材は、窒化珪素を主成分とする結晶相と、Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Ti、ZrおよびCuのうち少なくとも1種の第1の金属元素の珪化物からなる第1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の金属元素の珪化物からなる第2金属珪化物を含む粒界相とを有し、且つ上溝または穴部の表面における上記第1の金属珪化物および第2の金属珪化物のそれぞれの濃度が内部より低いため、流体を溝または穴部に挿通させた場合に、流体が付着しにくく耐蝕性に優れた弁部材を提供することが可能となる。 The valve member according to the present invention includes a crystalline phase mainly composed of silicon nitride and a silicide of at least one first metal element of Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Ti, Zr and Cu. 1 metal silicide and a grain boundary phase containing a second metal silicide composed of a silicide of a second metal element having a melting point higher than that of the first metal element, and the surface of the upper groove or the hole. Since the concentration of each of the first metal silicide and the second metal silicide is lower than the inside, when the fluid is inserted into the groove or the hole, a valve member that is hard to adhere to the fluid and has excellent corrosion resistance is provided. It becomes possible to do.
また、上記金属元素がFe、Cuのうち少なくとも1つであるので、機械的応力や熱応力によってボール弁体に大きな歪みが生じた場合でも粒界相での亀裂の発生を抑制でき、その結果、弁部材が破損することを防ぐことが可能となる。 In addition, since the metal element is at least one of Fe and Cu, the occurrence of cracks in the grain boundary phase can be suppressed even when a large strain occurs in the ball valve body due to mechanical stress or thermal stress. It becomes possible to prevent the valve member from being damaged.
また、上記第1の金属珪化物をFe、Cuの合計換算で0.01〜10質量%含有するので、高温においても粒界相の破壊靭性を高くすることができるので、より一層高温で熱応力がかかった場合でも抑制することが可能となる。 In addition, since the first metal silicide is contained in an amount of 0.01 to 10% by mass in terms of the total of Fe and Cu, the fracture toughness of the grain boundary phase can be increased even at a high temperature. Even when stress is applied, it can be suppressed.
また、上記粒界相に周期律表第3族元素(RE)、AlおよびOからなる非晶質相を含有するので、高温においても機械的強度を向上させることができる。
Further, since the grain boundary phase contains an amorphous phase composed of
さらに、本発明の弁部材は、上記第2の金属元素がW、Moのうち少なくとも1種であるので、機械的特性、耐熱衝撃性をさらに向上させることが可能となる。 Furthermore, in the valve member of the present invention, since the second metal element is at least one of W and Mo, the mechanical characteristics and the thermal shock resistance can be further improved.
そして、上記いずれかに記載の弁部材の製造方法であって、所定の原料粉末である窒化珪素粉末と、融点が1000℃以上のうち少なくとも1つの金属元素(Siを除く)からなる金属化合物とを混合して原料粉末を作製する原料作製工程と、前記原料粉末と有機結合剤とからなる成形体を作製する成形工程と、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前記有機結合材を脱脂して脱脂体を作製する脱脂工程と、前記脱脂体を窒素ガスの含有する非酸化性雰囲気中で焼成する焼成工程から得られた後、得られた焼結体をpH3以下の水溶液に浸漬するか、またはハロゲン化物からなる気体に暴露した後、外面を研磨加工する工程を有することを特徴とするものである。 And it is a manufacturing method of the valve member in any one of the above, A silicon nitride powder which is predetermined raw material powder, A metal compound which consists of at least one metal element (except Si) whose melting point is 1000 ° C or more, A raw material production step for producing a raw material powder by mixing, a molding step for producing a molded body comprising the raw material powder and an organic binder, and an atmosphere substantially comprising nitrogen gas, argon gas, or a mixed gas thereof A sintered body obtained after being obtained from a degreasing step in which the organic binder is degreased to produce a degreased body and a firing step in which the degreased body is fired in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen gas. Is immersed in an aqueous solution having a pH of 3 or less, or exposed to a gas comprising a halide, and then the outer surface is polished.
次に、本発明のバルブは、上記いずれかに記載の弁部材を用いたことを特徴とする製造方法によって、高温下で繰り返し使用しても、強度劣化の小さい高強度で且つ高硬度、高破壊靭性となる弁部材を提供することが可能となる。 Next, the valve of the present invention has a high strength, a high hardness, a high strength with little deterioration in strength even when it is repeatedly used at a high temperature by a manufacturing method characterized by using any one of the valve members described above. It is possible to provide a valve member having fracture toughness.
以下に本発明の実施形態について詳述する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本発明の弁部材として、弁箱、弁体等があり、これらの実施形態およびこれらを用いたバルブを図1(a)〜(m)に示す。図1(a)〜(e)は弁箱、(f)〜(j)は弁体、(k)〜(m)は同図(a)〜(e)の弁箱に同図(f)〜(j)の弁体を挿入して得られるバルブを示したものである。 Examples of the valve member of the present invention include a valve box and a valve body. These embodiments and valves using these are shown in FIGS. 1 (a) to 1 (m). 1 (a) to 1 (e) are valve casings, (f) to (j) are valve bodies, (k) to (m) are valve casings of FIGS. 1 (a) to (e). The valve | bulb obtained by inserting the valve body of (j) is shown.
本発明の弁部材である弁箱について、図1(a)〜(e)に基づいて説明する。弁箱21は、外形が角柱状の窒化珪素質焼結体からなり、その長手方向の内部に長穴部22を有し、この長手方向に垂直な方向に長穴部22を貫通する穴部23a,23b,23cを有している。弁箱21は、弁箱本体21aと封止体21bがネジや接着剤等により接合されて一体となっている。弁箱本体21a、封止体21bは共に窒化珪素質焼結体からなる。
A valve box that is a valve member of the present invention will be described with reference to FIGS. The
また、弁体は、図1(f)〜(j)に示すように、弁本体24aの長手方向の一部に溝24bが形成されたものであり、前記弁箱21と弁体24を組み合わせることでバルブを得ることができる。
Further, as shown in FIGS. 1F to 1J, the valve body has a
このバルブについて、図1(k)〜(m)に基づいて説明する。図1(k)は弁箱21に弁体24を挿入した状態のバルブ26の外径は弁箱21の長穴部22の内径よりも僅かに小さくして弁箱21と弁体24との間の気密性を高めつつ、弁体24は弁体24a内側に挿入されて長穴部22内で回動できる構造となっている。さらに、封止体21bに接する弁体24aの外周部にザグリ(不図示)を形成し、このザグリに気密性を高めるための耐熱性のシールリング(不図示)を設けることで、弁箱21と弁体24との間の機密性を高めることができる。
This valve is demonstrated based on FIG.1 (k)-(m). In FIG. 1 (k), the outer diameter of the
バルブ26の使用方法の一例について説明する。バルブ26の長手方向が重力に対して垂直な方向となるようにバルブ26を固定する。すなわち、図1(k)において穴部23aが上側、穴部23b、23cが下側になった状態で弁箱22を固定する。穴部23aから溝24b内に液体を注入し、溝24b内を液体で満たす。次いで、弁体24を長穴部22内で180°回転させて溝24bを下側にすると、溝24b内にあった液体が穴部23cから重力によって放出される。さらに、弁体24を長穴部22内で180°回転させると元の図1(k)の状態となり、同様にして、穴部23aから溝24b内に液体を満たし、繰り返し穴部23cから液体を一定量ずつ放出させることができる。
An example of how to use the
図2(a)は本発明に係る弁部材の他の実施態様を示すボール弁体の斜視図であり、図2(b)は本発明に係るボールバルブの断面を示す断面図である。さらに、図3は本発明に係るボールバルブの組み立ての概略を示す概略図である。 FIG. 2A is a perspective view of a ball valve body showing another embodiment of the valve member according to the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing a cross section of the ball valve according to the present invention. Further, FIG. 3 is a schematic view showing an outline of the assembly of the ball valve according to the present invention.
本発明の弁部材の他の実施態様であるボール弁体は、図2(a)に示すように窒化珪素質焼結体からなり、中央部に貫通孔7を備えた球状をなし、図2(b)に示すようなボールバルブとして用いる際に接続するための溝5を有する。このボール弁体2を用いたボールバルブ1は、ボール弁体2の溝5にアクチュエータ30によって駆動力を伝達するステム4を介して開閉可能となる。ボール弁体2はバルブシートを兼ねた球面部の受け面を備えた弁箱6bとソケット6aに挟まれて収納され、両側から保持されており、ステム4によって回転自在な状態となっている。
The ball valve body which is another embodiment of the valve member of the present invention is formed of a silicon nitride-based sintered body as shown in FIG. 2 (a) and has a spherical shape with a through
また、弁箱6bとソケット6aとの間にはOリング9が配置され、内部の流体がリークされないような構造となっている。そして、弁箱6bとソケット6aの端面にはバルブシートが配置され、その外側を囲むように有底部のある筒状体のグランド8bとソケット押さえ8aとが配置され、ボルト32にて機械的に締結されている。さらに、アクチュエータ30の下部にはグランド8bから一定の距離を得るために、中央部に貫通孔の備えたヨーク31を介在させグランド8bに固定されており、ヨーク31の貫通孔の中をステム4が回転自在となっている。
Further, an O-
そして、ボール弁体2の貫通孔7は、ボールバルブ1本体に組み付けた際に、グランド8b、弁箱6b、ソケット6a、ソケット押さえ8aの中央部に備えた開口部と一致した場合に、流体が通過可能な構造となっている。そして、ボール弁体2の貫通孔7が開口部と不一致な場合には、流体は止められるような弁状態となっており、ボール弁体2が回転自在に稼働することで、開閉可能な貫通孔7を形成している。なお、貫通孔7は図1では丸穴のものを示したが、図5に示すような三角孔で形成されても良く、開閉に伴い流量を調整可能なものとなる。一般的に、これらはCV値で管理されている。溝5は、略長方形をしており、コーナー部には曲率半径R0.5mm〜2mmの範囲で曲面とすることが好ましい。
And when the through-
ここで、本発明の弁部材である弁体2,24、弁箱21は、図1(a)〜(m),2(a)に示すように、弁体2,24、弁箱21を成す窒化珪素質焼結体が、窒化珪素を主成分とする結晶相と、Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Ti、ZrおよびCuのうち少なくとも1種の第1の金属元素の珪化物からなる第1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の金属元素の珪化物からなる第2金属珪化物を含む粒界相とを有し、且つ上記貫通孔の表面における上記第1金属珪化物および第2金属珪化物のそれぞれの濃度が内部より低いことが重要である。
Here, as shown in FIGS. 1A to 1M and 2A, the
これにより、高温の流体に曝されることによって弁体2,24、弁箱21に大きな熱応力がかかった場合でも、第1金属珪化物、第2金属珪化物を含む粒界相と窒化珪素の結晶との界面でマイクロクラックが進展することを抑制でき、耐熱衝撃性などの熱的特性を高いものとして、高温の流体が流入しても熱的衝撃負荷(ヒートショック)で破損することのないボール弁体2を得ることができる。
Thereby, even when a large thermal stress is applied to the
図4に、これらの弁体2,24、弁箱21の表面をSEM(走査型電子顕微鏡)にて観察した模式図を示す。主成分である窒化珪素の結晶12と、粒界相20にFe、Cr、Mn、Co、Ni、Ti、ZrおよびCuのうち少なくとも1種の第1の金属元素の珪化物からなる第1金属珪化物16及び上記第1の金属元素よりも融点の高い第2の金属元素の珪化物からなる第2金属珪化物18を含むものである。
FIG. 4 shows a schematic diagram of the surfaces of these
なお、上記粒界相20とは、窒化珪素の結晶12間に囲まれる領域を示す。
The
窒化珪素の結晶12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、又は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。
The
第1金属珪化物16としては、FeSi2、FeSi、Fe3Si、Fe5Si3、CrSi2、Cr3Si、MnSi、CoSi2、NiSi、Ni2Si、TiSi2、ZrSi2、Cu2Si等がある。また、第2金属珪化物としては、WSi2、W5Si3、WSi3、W2Si3およびMoSi2から選択された少なくとも1種が好ましい。
As the
また、第2の金属元素としては、Mo、Ta、Nb、Wが好ましく、これらの金属元素の珪化物からなる第2金属珪化物18としては、MoSi2、Mo5Si3、TaSi2、Ta5Si3、Nb5Si3、WSi2、W5Si3、WSi3、W2Si3等がある。これら第2の金属珪化物18は、融点が非常に高いため、窒化珪素の結晶12と特に強固に結合し、かつ高温の流体に曝されることにより高温となった場合でも熱力学的に安定であるので、高温の流体に曝されることによって弁体2,24、弁箱21に大きな熱応力がかかった場合でも、第1金属珪化物16、第2金属珪化物18を含む粒界相20と窒化珪素の結晶12の界面でマイクロクラックが進展することを抑制する。その結果、耐熱衝撃性などの熱的特性をさらに優れたものとすることができる。同時に、溝24bの表面24b、長穴部22の表面26a、穴部21a〜21cの表面26c〜26e、貫通孔7の表面7aにおける第1金属珪化物16および第2金属珪化物18のそれぞれの濃度を内部より低くすることで、高温の流体に曝された場合、内部に多く含まれる第1金属珪化物16、第2金属珪化物18によって、機械的特性と熱的特性を向上させることができる。
Moreover, as the second metal element, Mo, Ta, Nb, and W are preferable. As the
上記穴部の表面26a〜26e、貫通孔7の表面7aにおける第1、第2金属珪化物16、18のそれぞれの濃度を内部よりも低くするのは、バルブの開閉によって高温の流体が急に溝24bや貫通孔7に流入した際に熱衝撃負荷(ヒートショック)が発生し、破損の懸念があるからである。特に、火力発電所などの排煙脱硫装置に使用されるバルブ26、ボールバルブ1は、屋外で使用されることもあり、その場合、零下にさらされて使用することも珍しくない。その冷えた状態のバルブ26、ボールバルブ1に高温の石灰スラリーが流入すると、弁箱21,弁体24、ボール弁体2に温度分布が生じてしまい、その結果、破損に至ることがある。
The reason why the concentrations of the first and
なお、ボールバルブ1においては、バルブの閉時には、球面部は流体と接したままであるので温度変化はあまり受けず、バルブ開時には球面部は、流体とは殆ど接しないので温度変化は受けず、貫通孔7の表面7aほど熱的衝撃負荷(ヒートショック)は受け難い。
In the
また、腐食性の高い流体が挿通される場合でも耐腐食性の低い第1、第2の金属珪化物16、18が、表面7aの濃度が内部よりも低いため、耐腐食性を高く維持することが可能となり、表面に存在するボイドから浸食が発生し難く、その部分に流体が付着して流れを阻害することがなく使用することが可能となる。特に、金属珪化物は耐食性を損なうので、穴部の表面26a〜26e、貫通孔7の表面における濃度が内部よりも低いことが良い。
Further, even when a highly corrosive fluid is inserted, the first and
また、弁箱21,弁体24、ボール弁体2をなす窒化硅素質焼結体は、焼成後のものであっても、焼結後に研磨等の加工を施したものでもよい。いずれの場合も表面7aの第1、第2金属珪化物16、18の濃度が内部よりも低ければよい。
Further, the silicon nitride sintered body constituting the
なお、弁箱21の内部とは、弁箱21の外表面、長穴部22の表面26a、穴部23a〜23cの表面、およびこれらの面から深さ0.2mmまでの範囲にある表面近傍を除く部位である。弁体24の内部とは、弁箱24の外表面、溝24bの表面、およびこれらの面から深さ0.2mmまでの範囲にある表面近傍を除く部位である。ボール弁体2の内部とは、貫通孔7の表面7aとボール弁体2の外表面、およびこれら表面から深さ0.2mmまでの範囲である表面近傍部分を除く部位である。
In addition, the inside of the
以下、弁箱21の長穴22の表面26a、穴部23a〜23c、弁体24の溝24bの表面26b、ボール弁体2の貫通孔7の表面7aを総称して表面と記載する。また、弁箱21、弁体24,ボール弁体2を総称したものを弁部材と記載する。
Hereinafter, the surface 26 a of the
ここで、本発明の弁部材である弁箱21,弁体24、ボール弁体2の表面と内部の金属珪化物の濃度を比較する方法として、第1、第2金属珪化物16、18がFe珪化物とCu珪化物を含む場合を例として説明する。
Here, as a method for comparing the concentration of the metal silicide inside the
例えば、蛍光X線分析装置により次のように行う。先ず、表面と、所定位置である内部を研磨した面とに各々、X線を照射し、これによって発生するFe、Cuの各元素の蛍光X線(特性X線)の強度を次のように測定する。Fe、Cuの各元素の蛍光X線(特性X線)を高分解能比例計数管に入射、プリアンプ等の増幅回路で増幅後、さらにマルチチャンネルアナライザーによってエネルギー毎に分解する。ここで、測定する元素(Fe、Cu)を指定し、これらの元素固有のエネルギー窓が設定され計数された蛍光X線のカウント数(強度)を出力する。測定条件を同一にするために試料の面積、照射するX線の強度、蛍光X線をカウントする時間等を同じとする。このように測定した表面のFe、Cuの各元素の蛍光X線のカウント数をCFe1、CCu1、内部のFe、Cuの各元素の蛍光X線のカウント数をCFe2、CCu2、とする。さらに、弁部材の内部に金属珪化物からなる結晶相が含まれていることをX線回折法、微小X線回折法、透過型電子顕微鏡等により分析する。 For example, it is performed as follows using a fluorescent X-ray analyzer. First, the surface and the surface polished at a predetermined position are each irradiated with X-rays, and the intensity of fluorescent X-rays (characteristic X-rays) of each element of Fe and Cu generated thereby is as follows: taking measurement. Fluorescent X-rays (characteristic X-rays) of each element of Fe and Cu are incident on a high-resolution proportional counter, amplified by an amplification circuit such as a preamplifier, and further decomposed for each energy by a multichannel analyzer. Here, the elements (Fe, Cu) to be measured are specified, and the count number (intensity) of fluorescent X-rays counted by setting the energy window specific to these elements is output. In order to make the measurement conditions the same, the area of the sample, the intensity of X-rays to be irradiated, the time for counting fluorescent X-rays, and the like are the same. The counts of the fluorescent X-rays of the elements Fe and Cu on the surface thus measured are C Fe1 and C Cu1 , and the counts of the fluorescent X-rays of the elements Fe and Cu inside are C Fe2 and C Cu2 . To do. Furthermore, the inside of the valve member is analyzed by an X-ray diffraction method, a micro X-ray diffraction method, a transmission electron microscope, or the like to confirm that a crystal phase made of a metal silicide is contained.
表面に第1、第2金属珪化物16、18が含まれている場合は、結晶相をX線回折法、微小部X線回折法、透過型電子顕微鏡等で分析することにより確認することができる。表面と内部との金属珪化物の濃度の比は、Fe珪化物についてはCFe1/CFe2、Cu珪化物についてはCCu1/CCu2により計算する。そして本発明の弁部材において、金属珪化物16、18の表面における濃度が内部よりも低いということは、前記CFe1/CFe2、CCu1/CCu2のうち少なくとも一方が1よりも小さい場合と定義する。このように、第1、第2金属珪化物16、18が複数の金属元素を含む場合は、少なくとも1つの第1、第2金属珪化物16、18の濃度が表面で内部より低いときに、金属珪化物の貫通孔7の表面7aにおける濃度が内部よりも低いと定義する。また、前記金属珪化物の濃度が内部に比べて1/n(nは1よりも大きい任意の数値)であるとは、前記CFe1/CFe2、CCu1/CCu2のいずれか小さい方が1/n以下である場合と定義する。但し、第1、第2金属珪化物16、18が弁部材の表面に存在しない場合も本発明の好ましい形態のひとつであり、この場合CFe1/CFe2、CCu1/CCu2の値はゼロと定義する。
If the surface contains the first and
なお、本発明の弁部材の表面における第1、第2金属珪化物16、18の濃度を低くするには、詳細は製造方法において後述するが、先ず、一般的な方法によって得られた窒化珪素を主成分とする焼結体を得た後、pH3以下の水溶液に浸漬するか、ハロゲン化物からなる気体に暴露することで表面の金属珪化物の濃度を小さくすることができる。水溶液に浸漬する場合は、そのpHと浸漬時間を変化させ、pHを小さくする程、また浸漬時間を長くする程、表面における金属珪化物の濃度は小さくなる傾向がある。フッ素や塩素などのハロゲン化物からなる気体に暴露する場合は暴露時間を変化させ、暴露時間が長い程、表面における金属珪化物の濃度は小さくなる傾向がある。あるいは、貫通孔7を焼き放しで形成して研削をしないようにすることが好ましい。
In order to reduce the concentration of the first and
また、弁部材がボール弁体2の場合には、ボール弁体2の外表面の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.4μm以下となるよう形成することが好ましい。これは、0.4μmよりも大きい値では操作時のトルクが高く、また、流体が粉体などを含む流体である場合には、ボール弁体2と弁座との間で噛み込み易く、操作時にスムーズに稼働させることができないため、0.4μm以下であることが好ましく、さらには0.2μm以下の面であることがよい。さらには流体のリークの観点からも算術平均粗さ(Ra)が0.4μm以下とすることが好ましい。
When the valve member is the
また、弁部材を成す窒化珪素質焼結体は、ボイド占有率1%以下で、且つ、最大ボイド径が10μm以下であることが好ましく、流体が粉体などを含む流体である場合にはボイドに流体が固着するのを防ぎ、操作性を損なうことがない。好ましくはボイド占有率0.8%以下で、且つ、最大ボイド径が5μm以下、さらには2μm以下であることが良い。 The silicon nitride sintered body constituting the valve member preferably has a void occupancy ratio of 1% or less and a maximum void diameter of 10 μm or less. When the fluid is a fluid containing powder or the like, a void is formed. This prevents the fluid from sticking to the surface and does not impair the operability. Preferably, the void occupation ratio is 0.8% or less, and the maximum void diameter is 5 μm or less, and further 2 μm or less.
また、本発明の弁部材をなす窒化珪素質焼結体3に含まれる第1の金属元素がFe、Cuのうち少なくとも1つであることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the 1st metal element contained in the silicon nitride sintered
このように第1の金属元素がFe、Cuのうち少なくとも1つである場合、第1の金属珪化物をFe、Cuの合計換算で0.01〜10質量%含有することが好ましい。 Thus, when the first metal element is at least one of Fe and Cu, it is preferable to contain 0.01 to 10% by mass of the first metal silicide in terms of the total conversion of Fe and Cu.
これよって、優れた機械的特性、熱的特性を備えるのみならず、粒界相20に破壊靱性の高い第1金属珪化物16を生成させることができるので、弁部材に応力がかかった際、機械的応力や熱応力によって弁部材全体に大きな歪が生じた場合でも粒界相20での亀裂の発生を抑制でき、その弁部材が破損することを抑制することができる。
Accordingly, the
なお、第1の金属元素の含有量が多いと、金属元素が不純物として窒化珪素質に存在する量が増加し、機械的特性を低下させるため、弁部材の破損などの問題が発生しやすくなる。また、下限値未満の場合、金属珪化物が形成されにくくなり、窒化珪素質焼結体3中の金属珪化物の隣接層が存在しにくくなり、弁部材をなす窒化珪素質焼結体3の機械的特性、耐熱衝撃性が低下する。
If the content of the first metal element is large, the amount of the metal element present in the silicon nitride as an impurity increases and the mechanical characteristics are deteriorated, so that problems such as breakage of the valve member are likely to occur. . Moreover, when it is less than a lower limit, it becomes difficult to form a metal silicide, the adjacent layer of the metal silicide in the silicon nitride-based
特に、排煙脱硫装置などにこれらの弁部材を使用した場合においては、高温の石灰スラリーが急に流入することで熱的衝撃負荷がかかることや、屋外のところで使用する場合に凍結などで内部に残った流体が膨張して押圧力を内周からかかることが懸念されるが、これらの機械的応力や熱応力に対しても問題なく使用することが可能となる。 In particular, when these valve members are used in flue gas desulfurization equipment, etc., high-temperature lime slurry suddenly flows in, so that a thermal shock load is applied. It is feared that the remaining fluid expands and a pressing force is applied from the inner periphery, but it can be used without any problem against these mechanical stresses and thermal stresses.
また、粒界相20に周期律表第3族元素(RE)、AlおよびOからなる非晶質相を含有することが好ましい。これによって、焼成中に液相が低温で生成するので、窒化珪素質焼結体の結晶12が微細で粒径が揃ったものとなり、その結果さらに耐熱衝撃性に優れ、機械的強度の高いボール弁体2を得ることができる。非晶質相は、例えば、周期律表第3族元素(以下REと称す)の酸化物と酸化アルミニウム粉を製造過程で添加後、成形、焼成することにより焼結体中に生成させることができる。
The
好ましくは、弁部材を成す窒化珪素質焼結体にREをRE2O3換算で1〜20質量%、AlをAl2O3換算で0.1〜10質量%含有する。なお、この第3族元素とは、Sc、Y、ランタノイド元素、アクチノイド元素から選ばれるうち少なくとも1種の元素を意味する。
Preferably, the silicon nitride sintered body constituting the valve member contains 1 to 20% by mass of RE in terms of RE 2 O 3 and 0.1 to 10% by mass of Al in terms of Al 2 O 3 . The
また、前記REがY、Er、Yb、Luのうち少なくとも1種であることが好ましい。これにより、焼成中に液相が低温で生成すると共に、生じる非晶質相の熱膨張係数と窒化珪素の結晶との熱膨張の差を小さくできる傾向がある。このため、窒化珪素の結晶を微細で粒径が揃ったものとするだけでなく、高温で機械的応力や熱応力がかかった場合でも、窒化珪素と粒界相20の熱膨張係数の違いによって粒界相でマイクロクラックが発生することを抑制できる。その結果、耐熱衝撃性を維持しつつ高温での機械的強度を向上させることができる。また、これにより、高温酸化雰囲気中での耐酸化性を向上させることもできる。
The RE is preferably at least one of Y, Er, Yb, and Lu. This tends to produce a liquid phase at a low temperature during firing and to reduce the difference between the thermal expansion coefficient of the resulting amorphous phase and the thermal expansion of the silicon nitride crystals. For this reason, not only the silicon nitride crystals are fine and uniform in particle size, but even when mechanical stress or thermal stress is applied at high temperature, the difference in thermal expansion coefficient between silicon nitride and the
REがYの場合には、REがY以外の場合よりも焼成中にREの蒸発を抑制できるため窒化珪素質焼結体の材料組成を高精度に制御でき、これによって機械的特性のばらつきを低減させることができるため特に好ましい。 When RE is Y, it is possible to control the material composition of the silicon nitride-based sintered body with high accuracy because it is possible to suppress the evaporation of RE during firing more than when RE is other than Y. Since it can reduce, it is especially preferable.
さらに、この粒界相20にアパタイト相、ボラストナイト相およびダイシリケート相の少なくとも1種を含有することが好ましい。これにより弁部材の機械的強度をさらに向上させることができる。また、アパタイト相はRE5(Si4)3N、ボラストナイト相はRESiO2N、ダイシリケート相はRE2Si2O7で表される化合物である。また、粒界相20がアパタイト相またはボラストナイト相を含有する場合は、高温強度、耐高温クリープ特性、耐熱衝撃性が向上する。また、粒界相がダイシリケート相を含有する場合は、高温での耐酸化特性が向上する。
Furthermore, it is preferable that the
RE、Alを含む弁部材内部の粒界相20の量に対する貫通孔7の表面7aの粒界相20の量を測定するには、例えば、蛍光X線分析装置により次のように行う。
In order to measure the amount of the
弁部材の表面と、弁部材を研磨した面とに各々、X線を照射し、これによって発生するRE、Alの各元素の蛍光X線(特性X線)の強度を次のように測定する。RE、Alの各元素の蛍光X線(特性X線)を高分解能比例計数管に入射、プリアンプ等の増幅回路で増幅後、さらにマルチチャンネルアナライザーによってエネルギー毎に分解する。ここで、測定する元素(RE、Al)を指定し、これらの元素固有のエネルギー窓が設定され計数された蛍光X線のカウント数(強度)を出力する。測定条件を同一にするために試料の面積、照射するX線の強度、蛍光X線をカウントする時間等を同じとする。このように測定した表面7aのRE、Alの各元素の蛍光X線のカウント数をCRE1、CAl1、内部のRE、Alの各元素の蛍光X線のカウント数をCRE2、CAl2とする。
The surface of the valve member and the polished surface of the valve member are each irradiated with X-rays, and the intensity of fluorescent X-rays (characteristic X-rays) of each element of RE and Al generated thereby is measured as follows. . Fluorescent X-rays (characteristic X-rays) of each element of RE and Al are incident on a high-resolution proportional counter, amplified by an amplifier circuit such as a preamplifier, and further decomposed for each energy by a multichannel analyzer. Here, the elements (RE, Al) to be measured are designated, and the count number (intensity) of fluorescent X-rays counted by setting the energy window specific to these elements is output. In order to make the measurement conditions the same, the area of the sample, the intensity of X-rays to be irradiated, the time for counting fluorescent X-rays, and the like are the same. The counts of the fluorescent X-rays of the RE and Al elements on the
但し、複数のREの蛍光X線が検出された場合は、複数のREの蛍光X線のカウント数の合計を表面7a、内部についてそれぞれCRE1、CRE2と定義する。RE、Alの各々についての表面7aと内部の濃度の比は、REについてはCRE1/CRE2、AlについてはCAl1/CAl2により計算する。そしてボール弁体2をなす窒化珪素質焼結体において、RE、Alを含む粒界相20が弁部材の内部よりも表面に少なく存在するということは、前記CRE1/CRE2、CAl1/CAl2のうち少なくとも一方が1よりも小さい場合と定義する。但し、RE、Alを含む粒界相20が表面7aに存在しない場合は、CRE1/CRE2、CAl1/CAl2の値はゼロとする。
However, when a plurality of fluorescent X-rays of RE are detected, the total number of fluorescent X-rays of the plurality of REs is defined as C RE1 and C RE2 for the
また、前記粒界相20に含まれるSiとREの比率が、SiO2/RE2O3のモル比換算で0.2〜10であることが好ましい。これにより、弁部材の機械的特性をさらに向上させることができる。SiO2/RE2O3のモル比換算で0.2〜4とすることが窒化珪素質焼結体の焼結性を向上させるためにさらに好ましい。このモル比は、次のように求めることができる。上記の方法により体積%換算したRE2O3とAl2O3に含まれる酸素量(質量%)の合計をG(質量%)とする。LECO社製酸素分析装置で窒化珪素質焼結体中の全酸素含有量を測定し、全酸素含有量(質量%)からG(質量%)を差し引き、残りの酸素量(質量%)をSiO2量(質量%)に換算する。このSiO2量(質量%)と、RE2O3の質量換算での含有量(質量%)との比をSiO2/RE2O3のモル比換算でのSiとREの比率とする。
Moreover, it is preferable that the ratio of Si and RE contained in the
前記粒界相20に含まれるAlとREの比率が、Al2O3/RE2O3のモル比換算で0.2〜5であることが好ましい。これにより、窒化珪素質焼結体の焼結性をさらに向上させ、かつ、破壊靱性を向上させることができるからである。さらに好ましくは、Al2O3/RE2O3のモル比換算で0.4〜3である。AlとREのモル比は、次のようにICP発光分光分析により測定することができる。
The ratio of Al to RE contained in the
ICP発光分光分析により窒化珪素質焼結体中のREおよびAlの含有量(質量%)を測定し、この含有量をRE2O3およびAl2O3換算での含有量(質量%)に換算する。さらにRE2O3およびAl2O3の質量換算での含有量と理論密度(例えばY2O3は5.02g/cm3、Al2O3は3.98g/cm3)を用いて、RE2O3およびAl2O3の体積%換算での含有量を求める。 The content (mass%) of RE and Al in the silicon nitride sintered body is measured by ICP emission spectroscopic analysis, and this content is converted into the content (mass%) in terms of RE 2 O 3 and Al 2 O 3. Convert. Further, using the content and theoretical density of RE 2 O 3 and Al 2 O 3 in terms of mass (for example, Y 2 O 3 is 5.02 g / cm 3 , Al 2 O 3 is 3.98 g / cm 3 ), The content of RE 2 O 3 and Al 2 O 3 in terms of volume% is determined.
また、上記第2の金属元素がW、Moのうち少なくとも1種であることが好ましく、さらに、上記第2金属珪化物18の含有量を0.1〜3質量%含有することが好ましい。これにより、第1金属珪化物16および第2金属珪化物18が互いに接する隣接相14を形成し易くすることによって、第1、第2金属珪化物16、18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、機械的特性、耐熱衝撃性をさらに向上させることが可能となる。
Further, the second metal element is preferably at least one of W and Mo, and the content of the
また、第1の金属珪化物16としてFeSi2、第2の金属珪化物18としてWSi2が選ばれることが好ましい。これにより、Fe珪化物とW珪化物は結晶構造が近似しているので、互いに隣接相14を著しく形成し易いためである。従って、粒界相20に対する隣接相14の含有量が増加し、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。
Further, FeSi 2, WSi 2 is preferably selected as the
さらに、窒化珪素質焼結体の結晶12が針状結晶からなり、該針状結晶の長径の平均粒径が30μm以下、上記針状結晶の短径の平均結晶粒径が2μm以下であることが好ましい。これによって、微細な亀裂の進展を該針状結晶がより効果的に抑制するので、破壊靭性が向上し、機械的強度が向上した窒化珪素質焼結体とすることができる。特に、機械的特性、例えば、機械的強度をさらに向上するためには該針状結晶の長径の平均粒径を15μm以下とするのが好ましい。平均粒径が15μmを超えた場合には破壊靭性を著しく向上できないので、機械的強度を著しく向上できないからである。
Furthermore, the
尚、窒化珪素の結晶12の平均粒径の測定には次のような種々の方法がある。即ち、弁部材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12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12を特定し、その結晶の長径を測定する方法、又は鏡面加工した弁部材の面にある粒界相20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り、いずれにしても、測定された複数の長径データを平均化して算出される。
There are various methods for measuring the average grain size of the
また、弁部材がボール弁体2の場合には、粒界相20に融点が1400℃以上の金属元素のうち少なくとも1つの金属珪化物を含み、粒界相20を20体積%未満含有することが好ましい。これにより、高温での耐クリープ特性に優れた金属珪化物16、18が、ボール弁体2を製造する過程で行う焼成中に粒界相に生成する。その結果、ボール弁体2を製造する過程で行う焼成中で変形を抑制できるので、寸法精度の高いボール弁体2を得ることができる。特に貫通孔7や溝5を焼き放しで形成することも可能となる。
Further, when the valve member is the
また、粒界相20の含有量が20体積%以上の場合は、焼成工程中に変形が起こりやすいため寸法精度の高いボール弁体を作製することが困難となり好ましくない。また、粒界相20が15体積%を越え20体積%未満の場合は、変形を著しく低減させることができない。また、粒界相が5体積%未満の場合、緻密なボール弁体2を得るために高温で焼成する必要があり、高温で焼成すると窒化珪素の結晶12が一部粗大化するため、機械的強度や耐摩耗性を著しく向上させることができない。このため、粒界相の含有量は5〜15体積%であることが特に好ましい。
Further, when the content of the
前記隣接相とは、第1、第2金属珪化物16、18が一部で接している状態であればよく、これにより、第1、第2金属珪化物16、18に機械的応力や熱応力が集中するのを抑制し、その結果、弁部材の機械的特性、耐熱衝撃性をさらに向上させることができ、第1、第2金属珪化物16、18の一方が他方の金属珪化物の一部又は全部を取り囲んでいる状態であるのがより好ましい。
The adjacent phase may be in a state where the first and
さらに、この隣接相は、第1金属珪化物16、第2金属珪化物18の他にさらにこれら第1金属珪化物16を成す第1の金属元素と第2金属珪化物18を成す第2の金属元素を含む複数金属成分からなる第3金属珪化物を有することが好ましい。第3金属珪化物は、第1、第2金属珪化物16、18と結晶構造が近似しているので、隣接相が形成されやすいだけでなく、隣接相が熱力学的に安定であるので、弁部材として高温で用いられた場合に、隣接相が相変態を起こしにくくなり、高温での機械的特性や耐熱衝撃性が向上するからである。
Further, the adjacent phase includes the
次に、本発明の弁部材の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the valve member of this invention is demonstrated.
例えば、先ず、所定の原料粉末である窒化珪素粉末と、融点が1000℃以上のうち少なくとも1つの金属元素(Siを除く)からなる金属化合物とを混合して原料粉末を作製する原料作製工程と、前記原料粉末と有機結合剤とからなる成形体を作製する成形工程と、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前記有機結合材を脱脂して脱脂体を作製する脱脂工程と、前記脱脂体を窒素ガスの含有する非酸化性雰囲気中で焼成する焼成工程から得られた後、得られた焼結体をpH3以下の水溶液に浸漬するか、またはハロゲン化物からなる気体に暴露した後、外面を研磨加工する工程を有することで、表面の金属珪化物の濃度を内部より低くすることができる。これによって、機械的特性と耐熱衝撃性を向上させることができる。 For example, first, a raw material production step of producing a raw material powder by mixing a silicon nitride powder, which is a predetermined raw material powder, and a metal compound composed of at least one metal element (except Si) having a melting point of 1000 ° C. or higher; A molding step for producing a molded body comprising the raw material powder and an organic binder, and degreasing the organic binder in an atmosphere substantially composed of nitrogen gas, argon gas, or a mixed gas thereof to obtain a degreased body. After being obtained from a degreasing step to be produced and a firing step in which the degreased body is fired in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen gas, the obtained sintered body is immersed in an aqueous solution having a pH of 3 or less, or a halide. After having exposed to the gas which consists of, the process which grind | polishes an outer surface can make the density | concentration of the surface metal silicide lower than an inside. Thereby, mechanical characteristics and thermal shock resistance can be improved.
さらに、本発明のボールバルブ1の製造方法を具体的に説明する。
Furthermore, the manufacturing method of the
例えば、先ず窒化珪素粉末と、融点が1000℃以上のうち少なくとも1つの金属元素(Siを除く)からなる金属化合物とを混合して原料粉末を作製する原料作製工程と、前記原料粉末と有機結合剤とからなる成形体を作製する成形工程と、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前記有機結合材を脱脂して脱脂体を作製する脱脂工程と、前記脱脂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する製造方法によって焼結体を作製する。この焼結体は、β型窒化珪素結晶、又はβ型窒化珪素と同じ結晶構造を有するβ’−サイアロン結晶を主成分とする窒化珪素質焼結体である。また、融点が1000℃以上のうち少なくとも1つの金属元素としては、上述した金属元素が選ばれることが好ましい。 For example, first, a raw material preparation step of preparing a raw material powder by mixing a silicon nitride powder and a metal compound composed of at least one metal element (excluding Si) having a melting point of 1000 ° C. or higher, and the raw material powder and an organic bond A degreasing step for producing a degreased body by degreasing the organic binder in an atmosphere substantially composed of nitrogen gas, argon gas, or a mixed gas thereof; A sintered body is manufactured by a manufacturing method including a baking step of baking the degreased body in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen gas. This sintered body is a silicon nitride-based sintered body mainly composed of β-type silicon nitride crystal or β′-sialon crystal having the same crystal structure as β-type silicon nitride. Moreover, it is preferable that the metal element mentioned above is chosen as at least 1 metal element among melting | fusing point of 1000 degreeC or more.
次いで、得られた焼結体をpH3以下の水溶液に浸漬する浸漬工程、またはハロゲン化物からなる気体に暴露する暴露工程を経る。 Next, an immersion process in which the obtained sintered body is immersed in an aqueous solution having a pH of 3 or less, or an exposure process in which the sintered body is exposed to a gas composed of a halide.
浸漬工程としては、焼結体表面に存在する金属珪化物をpH3以下の水溶液と反応させて焼結体表面からその少なくとも一部を除去する。pH3以下の水溶液としては、HCl、HNO3、H2SO4、HF、H2O2、HClO4の各々の水溶液およびこれらのうち少なくとも2種を混合した水溶液が挙げられる。前記水溶液の中でも、HCl水溶液単独、もしくは混酸水溶液としてHNO3+H2SO4、HF+HNO3+H2SO4、HF+H2O2、HF+HNO3、HNO3+HF、HNO3+HF+H2SO4、HNO3+HF+HCl、HNO3+HF+HClO4のいずれかの水溶液を用いることが好ましい。焼結体を前記水溶液に浸漬することにより、金属珪化物が焼結体表面から除去される。前記水溶液のうち、経済性と製造過程における安全性を向上させることができるHCl水溶液が特に好ましい。浸漬工程において用いるpH3以下の水溶液に水を含有するのは、経済性と製造過程における安全性を向上させるためである。また、焼結体をpH3以下の水溶液に暴露する時間は5分以上が好ましい。 In the dipping process, the metal silicide present on the surface of the sintered body is reacted with an aqueous solution having a pH of 3 or less to remove at least a part thereof from the surface of the sintered body. Examples of the aqueous solution having a pH of 3 or lower include aqueous solutions of HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 , HF, H 2 O 2 , and HClO 4 and aqueous solutions obtained by mixing at least two of them. Among these aqueous solutions, HCl aqueous solution alone or mixed acid aqueous solution as HNO 3 + H 2 SO 4 , HF + HNO 3 + H 2 SO 4 , HF + H 2 O 2 , HF + HNO 3 , HNO 3 + HF, HNO 3 + HF + H 2 SO 4 , HNO 3 + HF It is preferable to use any aqueous solution of HNO 3 + HF + HClO 4 . By immersing the sintered body in the aqueous solution, the metal silicide is removed from the surface of the sintered body. Among the aqueous solutions, an aqueous HCl solution that can improve economy and safety in the manufacturing process is particularly preferable. The reason why water is contained in the aqueous solution having a pH of 3 or less used in the dipping process is to improve the economy and safety in the production process. The time for exposing the sintered body to an aqueous solution having a pH of 3 or less is preferably 5 minutes or more.
暴露工程としては、焼結体をハロゲン化物に暴露するものであり、ハロゲン化物としては、フッ化物からなる気体が好ましく、特にClF3、CF2Cl2、CFCl3、CF3Cl、CF4、NF3、SF6、SiF4、BF3、PF3、PF5のいずれかを含む気体が好ましい。これにより、焼結体の表面に含まれる金属珪化物が除去される。特に、金属珪化物としてW、Moを含む金属珪化物を効率良く除去することができる。これらのハロゲン化物の気流を形成し、この気流に焼結体を1分以上暴露することがより好ましい。 In the exposure step, the sintered body is exposed to a halide. As the halide, a gas composed of fluoride is preferable. In particular, ClF 3 , CF 2 Cl 2 , CFCl 3 , CF 3 Cl, CF 4 , A gas containing any of NF 3 , SF 6 , SiF 4 , BF 3 , PF 3 , and PF 5 is preferable. Thereby, the metal silicide contained in the surface of the sintered body is removed. In particular, metal silicides containing W and Mo as metal silicides can be efficiently removed. More preferably, an air stream of these halides is formed, and the sintered body is exposed to the air stream for 1 minute or more.
また、焼結体表面の金属珪化物を低減させる方法として、前記浸漬工程または暴露工程が選ばれる理由について説明する。窒化珪素質焼結体表面の金属珪化物を低減する方法には多くの方法があり、その中でも前記浸漬工程、前記暴露工程を用いることが好ましい。窒化珪素質焼結体の表面に存在する金属珪化物を除去する他の方法としては、例えば酸化ナトリウムと焼結後の窒化珪素質焼結体とをAu、Fe、Ni、Ag、Zrのいずれかからなる金属容器に入れたまま500℃程度に加熱する方法がある。しかし、この方法は、容器が浸食されやすいという問題、容器に含まれる金属成分が窒化珪素質焼結体に固着するという問題、用いた酸化ナトリウムが窒化珪素質焼結体に固着するという問題等がある。このため、この方法は弁部材として用いるための窒化珪素質焼結体表面から金属珪化物を除去する方法として用いることはできない。 The reason why the immersion step or the exposure step is selected as a method for reducing the metal silicide on the surface of the sintered body will be described. There are many methods for reducing the metal silicide on the surface of the silicon nitride-based sintered body, and among these, it is preferable to use the immersion step and the exposure step. As another method for removing the metal silicide present on the surface of the silicon nitride sintered body, for example, sodium oxide and the sintered silicon nitride sintered body may be any one of Au, Fe, Ni, Ag, and Zr. There is a method of heating to about 500 ° C. in a metal container made of such. However, this method has a problem that the container is easily eroded, a problem that a metal component contained in the container is fixed to the silicon nitride sintered body, a problem that the sodium oxide used is fixed to the silicon nitride sintered body, and the like. There is. For this reason, this method cannot be used as a method for removing metal silicide from the surface of a silicon nitride-based sintered body for use as a valve member.
また、表面における金属珪化物の濃度を内部に比べて1/2以下に制御するためには、例えば前記水溶液としてpH2.5以下の水溶液を用い、この溶液に焼結体を10分以上浸漬するか、またはフッ素、塩素の少なくとも1つを含む気体に20分以上暴露させる。 Further, in order to control the concentration of the metal silicide on the surface to ½ or less compared to the inside, for example, an aqueous solution having a pH of 2.5 or less is used as the aqueous solution, and the sintered body is immersed in this solution for 10 minutes or more. Or exposed to a gas containing at least one of fluorine and chlorine for 20 minutes or more.
さらに、融点が1000℃以上のうち少なくとも1つの金属元素(Siを除く)からなる金属化合物として、Fe、Cuのうち少なくとも1つの金属化合物を用いる際は、焼結体中にFe珪化物、Cu珪化物がFe、Cuの合計換算で0.01〜10質量%含有するように、Fe、Cuの含有量を制御することによって、さらに高温でも粒界相の破壊靱性を高くすることができるので、さらに高温で熱応力がかかった場合でも、割れにくい弁部材を製造することができる。 Furthermore, when using at least one metal compound of Fe and Cu as a metal compound composed of at least one metal element (excluding Si) having a melting point of 1000 ° C. or higher, Fe silicide, Cu is used in the sintered body. By controlling the content of Fe and Cu so that the silicide contains 0.01 to 10% by mass in terms of the total of Fe and Cu, the fracture toughness of the grain boundary phase can be increased even at higher temperatures. Even when thermal stress is applied at a higher temperature, it is possible to manufacture a valve member that is difficult to break.
また、前記原料粉末に、さらに周期律表第3族元素(RE)の酸化物(RE2O3)、酸化アルミニウムを添加することによって、焼成工程で液相が低温で生成し、粒界相にRE、AlおよびOからなる非晶質相を含有させることができる。その結果、窒化珪素の結晶が微細で粒径が揃い、さらに耐熱衝撃性に優れ、機械的強度の高い弁部材を製造することができる。また、粒界相に前記非晶質相を均一に分散させることにより、窒化珪素の結晶を焼結体全体に渡って微細で粒径の揃ったものとするためには、焼成工程で、最高温度を経た後、800℃までの降温速度を100℃/時間よりも大きくすることが好ましい。
Further, by adding an oxide (RE 2 O 3 ) of
さらに、前記RE2O3としてY2O3、Er2O3、Yb2O3、Lu2O3のうち少なくとも1種を用いることにより、高温での機械的強度と耐酸化性が向上した弁部材を製造することができる。さらに、焼成工程で、降温速度を200℃/時間よりも大きくすることにより、粒界相に含まれるSiとREの比率を、SiO2/RE2O3のモル比換算で0.2〜10とすることができるので、機械的特性がさらに向上したボール弁体2を製造することができる。
Furthermore, by using at least one of Y 2 O 3, Er 2 O 3, Yb 2
また焼結体中にAlとREの比率が、Al2O3/RE2O3のモル比換算で0.2〜5となるよう、RE2O3と酸化アルミニウムを原料粉末に添加することによって、前記非晶質相を粒界相全体に渡って均一に形成させ、非晶質相の偏在を抑制することができるので焼結性が向上し、破壊靱性が向上したボール弁体2を製造することができる。
Further, RE 2 O 3 and aluminum oxide should be added to the raw material powder so that the ratio of Al to RE in the sintered body is 0.2 to 5 in terms of molar ratio of Al 2 O 3 / RE 2 O 3. Thus, the amorphous phase can be uniformly formed over the entire grain boundary phase, and uneven distribution of the amorphous phase can be suppressed, so that the
また、前記脱脂体の比表面積を1〜30m2/gとすることによって、焼結体に含まれる窒化珪素の結晶を針状結晶からなり、該針状結晶の長径の平均粒径が30μm以下、前記針状結晶の短径の平均粒径が2μm以下とすることができる。その結果、破壊靭性が向上し、機械的強度がさらに向上したボール弁体2を製造することができる。
Further, by setting the specific surface area of the degreased body to 1 to 30 m 2 / g, the silicon nitride crystals contained in the sintered body are made of needle-like crystals, and the average diameter of the major axis of the needle-like crystals is 30 μm or less. The average particle diameter of the minor axis of the acicular crystal can be 2 μm or less. As a result, the
また、原料粉末中に含まれる窒化珪素以外の化合物の含有量を制御することにより、焼結体中に含まれる粒界相の含有量を20体積%未満に制御することが好ましく、焼成工程中での変形を抑制できるので、寸法精度の高いボール弁体2を製造することができる。
Further, it is preferable to control the content of the grain boundary phase contained in the sintered body to less than 20% by volume by controlling the content of the compound other than silicon nitride contained in the raw material powder, Therefore, the
また、前記脱脂工程、窒化工程、焼成工程を同一の炉内で連続して実施することが、窒化珪素質焼結体の製造コストを特に低減するので好ましい。 In addition, it is preferable to continuously perform the degreasing step, the nitriding step, and the firing step in the same furnace because the manufacturing cost of the silicon nitride sintered body is particularly reduced.
また、ボール弁体2を球状にするため、外径に研削・研磨しろを残して上記製造方法を得た後、研削・研磨加工を行ってもよく、また、研削・研磨を行った後に、上記製造方法を行っても問題ない。好ましくは、上記製造方法の後、研削・研磨加工を行って寸法精度を入れた方が好ましい。これは、ボールバルブの閉時において、球面部が流体と接触する面となるが、常時流体と接するので、(例えば、閉から開の場合、流体を止めているのでその間も流体と同じ温度となる。また、開から閉の場合でも流体と接していた温度のままとなる。)貫通孔7と比べると急激な温度変化を受け難く、また、形状も引張り強度が発生するような構造ではないため、本発明のような製造方法によって金属珪化物の濃度を内部よりも低くする必要はない。また、金属珪化物が多い方がボール弁体の操作時に弁座を滑りやすく、動きが良くなるので、上記製造方法を行った後、球面部に対しては研削・鏡面加工を施すのが好ましい。
Further, in order to make the
また、得られた窒化珪素質焼結体を致密化させることによって機械的特性を向上させるためには、前記焼成工程における最高温度が1600℃以上であることが好ましい。1600℃以上で焼成することにより、相対密度が97%以上の緻密なボール弁体2を作製することができ、機械的特性を向上させることができる。また、窒化珪素の結晶の異常粒成長を抑制することにより機械的強度の低下を抑制するためには、焼成の最高温度の上限を1850℃とすることが好ましい。
In order to improve the mechanical characteristics by densifying the obtained silicon nitride-based sintered body, the maximum temperature in the firing step is preferably 1600 ° C. or higher. By firing at 1600 ° C. or higher, a dense
次に、第1金属珪化物16が、第2金属珪化物18を取り囲むように形成されている隣接相14とするには、第1の金属元素を第2の金属元素よりも多くし、かつ第1の金属元素を計0.2〜10質量%、第2の金属元素を計0.1〜3質量%を窒化珪素質焼結体中に含有させるよう、前記粉末混合工程における第1の金属元素の化合物および第2の金属元素の化合物の添加量を制御する。
Next, in order for the
なお、第1、第2の金属元素が製造過程で不純物として混入する場合は、その不純物を除去する等して第1、第2の金属元素の含有量を制御してもよい。具体的には、例えば、粉末混合工程において使用する機械の摩耗によって金属のFe成分が原料粉末中に混入する場合、粉末混合工程の後、この粉末に磁場を印加してFe成分を吸着し、除去することにより、最終的に弁部材に含まれるFeの含有量を制御することができる。 When the first and second metal elements are mixed as impurities during the manufacturing process, the contents of the first and second metal elements may be controlled by removing the impurities. Specifically, for example, when the metal Fe component is mixed in the raw material powder due to wear of the machine used in the powder mixing step, after the powder mixing step, a magnetic field is applied to the powder to adsorb the Fe component, By removing, the content of Fe finally contained in the valve member can be controlled.
また、第1の金属元素の化合物からなる粉末の平均粒径を1〜20μm、第2の金属元素の化合物からなる粉末の平均粒径を0.1〜5μmとすることにより、取り囲む第1金属珪化物の含有量を増加させることができるので、さらに機械的特性に優れたボール弁体2を製造することができる。
Further, by setting the average particle size of the powder composed of the first metal element compound to 1 to 20 μm and the average particle size of the powder composed of the second metal element compound to 0.1 to 5 μm, the surrounding first metal Since the content of silicide can be increased, the
さらに好ましくは、出発原料であるSi粉末の平均粒径を2〜50μmとし、脱脂体の比表面積を2〜30m2/gとすることにより、弁部材に含まれる窒化珪素の結晶の長径の平均粒径を15μm以下に制御する。Si粉末の平均粒径が2μm未満であると、窒化工程中のSi粉末の急激な窒化反応に伴う多量の発熱によって、窒化体の温度が急激に上昇し、窒化工程で大きな窒化珪素の結晶が生成する恐れがあり、その結果、この窒化珪素の結晶が焼成工程で異常粒成長するので平均粒径が15μmを超える恐れがある。また、Si粉末の平均粒径が50μmを超えると、窒化工程で大きなSi粒子が窒化されて大きな窒化珪素の結晶が生成し、この大きな窒化珪素の結晶が焼成工程でさらに異常粒成長し、平均粒径が15μmを超える恐れがある。脱脂体の比表面積を2〜30m2/gとすることによって、窒化工程でSi粉末の急激な窒化反応に伴う多量の発熱を抑制できると共に、窒化工程で大きな窒化珪素の結晶が生成した場合でも、焼成時に窒化珪素の結晶の粒成長が抑制されるので、窒化珪素体の結晶の長径の平均粒径を15μm以下に制御することが可能となる。 More preferably, the average particle diameter of the silicon nitride crystals contained in the valve member is adjusted by setting the average particle size of the Si powder as a starting material to 2 to 50 μm and the specific surface area of the defatted body to 2 to 30 m 2 / g. The particle size is controlled to 15 μm or less. If the average particle size of the Si powder is less than 2 μm, a large amount of heat is generated due to the rapid nitridation reaction of the Si powder during the nitriding process, so that the temperature of the nitride rapidly increases, and large silicon nitride crystals are formed in the nitriding process As a result, the silicon nitride crystal grows abnormally in the baking process, so that the average grain size may exceed 15 μm. Further, when the average particle diameter of the Si powder exceeds 50 μm, large Si particles are nitrided in the nitriding process to generate large silicon nitride crystals, and the large silicon nitride crystals further grow abnormally in the firing process. The particle size may exceed 15 μm. By setting the specific surface area of the degreased body to 2 to 30 m 2 / g, it is possible to suppress a large amount of heat generation due to the rapid nitriding reaction of the Si powder in the nitriding step, and even when large silicon nitride crystals are generated in the nitriding step. Since the grain growth of the silicon nitride crystal is suppressed during firing, it becomes possible to control the average grain size of the major axis of the silicon nitride body crystal to 15 μm or less.
また、第1の金属元素の化合物からなる粉末の平均粒径を0.1〜5μm、第2の金属元素の化合物からなる粉末の平均粒径を1〜30μmとすることにより、取り囲む第2金属珪化物の含有量を増加させることができるので、さらに耐熱衝撃性に優れたボール弁体2を製造することができる。
In addition, by setting the average particle size of the powder made of the first metal element compound to 0.1 to 5 μm and the average particle size of the powder made of the second metal element compound to 1 to 30 μm, the surrounding second metal Since the content of silicide can be increased, the
第1、第2の金属元素の化合物を構成する粒子の平均粒径は、それぞれ、例えばSEM写真により個々の粒子の粒径を測定し、これらの粒径を平均して求めることができる。 The average particle diameter of the particles constituting the compound of the first and second metal elements can be determined by measuring the particle diameter of each particle by, for example, SEM photographs and averaging these particle diameters.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態だけに限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、改良や変更したものの他、他の弁部材にも適用できる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited only to this embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, in addition to what was improved and changed, other valve members It can also be applied to.
先ず、表1に示す如く種々の粒界相を有する窒化珪素質焼結体にてボール弁体を作製し、熱衝撃試験を行った。
表1に示す金属化合物粉末(粉末1、粉末2)と、原料粉末である高純度窒化珪素(Si3N4)粉末(平均粒径1μm、α化率90%)、高純度Si粉末(平均粒径3μm)、平均粒径1μmのY2O3粉末、平均粒径0.7μmのAl2O3粉末とを混合して混合粉末を作製した。この際、金属化合物粉末である粉末1と粉末2とを水を用いて湿式粉砕し、湿式粉砕後の粉体の平均粒径を0.8〜1μmにした後、乾燥して予備混合粉末を作製後、予備混合粉末と原料粉末を作製する予備混合工程を経た試料も作製した。得られた混合粉末と、エタノールと、窒化珪素質粉砕用メディアとをバレルミルに投入して混合した。その後、得られたスラリーに、有機結合材としてポリビニルアルコール(PVA)を添加混合し、さらにスプレードライヤーで造粒後した。得られた造粒粉体を略球面をなるよう成形体を窒素雰囲気中600℃で3時間保持することにより脱脂した。なお、表1で、金属化合物粉末の含有量は金属元素換算、Si粉末の質量比はSi3N4換算である。また、脱脂体の比表面積をBET法により測定した所、10〜15m2/gであった。
Metal compound powders (
得られた脱脂体を、表面が窒化珪素質の焼結結晶粒子で覆われたカーボン製のこう鉢中に載置し、実質的に窒素からなる150kPaの窒素分圧中、1050℃で20時間、1250℃で10時間順次保持して窒化し、さらに昇温して120kPaの窒素分圧中1500℃で3時間、1770℃で10時間、200kPaの窒素分圧中1800℃で3時間、順次保持後、200℃/時間で降温して焼成し、β型窒化珪素質焼結体からなる焼結体を得た。作製した焼結体を表1に示す浸漬工程または暴露工程を用いて表面処理し、本発明のボール弁体2(外径φ80mm)を得た。浸漬工程は表1に示すpHの塩酸水溶液に所定時間浸漬し、水洗、乾燥する方法とした。暴露工程は、試料をチャンバーに入れ、このチャンバー中にCF4ガスを流しながら試料を所定時間暴露後、水洗、乾燥する方法とした。 The obtained degreased body was placed in a carbon mortar whose surface was covered with sintered silicon crystal particles of silicon nitride, and the nitrogen-containing partial pressure of 150 kPa consisting essentially of nitrogen was at 1050 ° C. for 20 hours. Nitriding is carried out by sequentially holding at 1250 ° C. for 10 hours, and further heating and holding for 3 hours at 1500 ° C. in a nitrogen partial pressure of 120 kPa, 10 hours at 1770 ° C., and 3 hours at 1800 ° C. in a nitrogen partial pressure of 200 kPa. Then, the temperature was lowered at 200 ° C./hour and fired to obtain a sintered body made of a β-type silicon nitride sintered body. The produced sintered body was surface-treated using an immersion process or an exposure process shown in Table 1 to obtain a ball valve body 2 (outer diameter φ80 mm) of the present invention. The dipping process was a method of dipping in a hydrochloric acid aqueous solution having a pH shown in Table 1 for a predetermined time, washing with water, and drying. In the exposure step, the sample was placed in a chamber, and the sample was exposed for a predetermined time while flowing a CF 4 gas into the chamber, followed by washing with water and drying.
以上のようにして作製した本発明の試料であるボール弁体試料を用いて次の評価を行った。 The following evaluation was performed using the ball valve body sample which is the sample of the present invention produced as described above.
まず、試料中の球面の表面の粒界相の結晶相を調べ、粒界相に金属珪化物が含まれている場合、この結晶構造を同定した。すなわち、試料をTechnoorg− Linda製イオンシニング装置を用いて加工し、JEOL社の透過型電子顕微鏡JEM2010Fを用いて粒界相の電子線回折による格子像を観察し、この格子像を解析した。なお、1つの試料に複数の金属珪化物を含有する場合は、最も多く含まれている金属珪化物の結晶構造を同定した。 First, the crystal phase of the grain boundary phase on the surface of the spherical surface in the sample was examined, and when the metal boundary was included in the grain boundary phase, this crystal structure was identified. That is, a sample was processed using an ion thinning device manufactured by Technology-Linda, a lattice image by electron beam diffraction of a grain boundary phase was observed using a transmission electron microscope JEM2010F manufactured by JEOL, and the lattice image was analyzed. When a plurality of metal silicides were contained in one sample, the crystal structure of the metal silicide contained most was identified.
また、試料の表面と、試料の内部を鏡面研磨した面の金属珪化物の濃度をX線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA−8600M)を用いて、次のように測定した。 Moreover, the density | concentration of the metal silicide of the surface which mirror-polished the surface of the sample and the inside of the sample was measured as follows using the X-ray microanalyzer (JEOL Co., Ltd. JXA-8600M).
試料表面と、試料内部を鏡面研磨した面に各々、X線を照射し、これによって発生するFe、Cu等の金属元素(EM)の蛍光X線(特性X線)の強度を次のように測定した。各金属元素(EM)の蛍光X線(特性X線)を高分解能比例計数管に入射、プリアンプ等の増幅回路で増幅後、さらにマルチチャンネルアナライザーによってエネルギー毎に分解した。ここで、測定する元素(Fe、Cu等)を指定し、これらの元素固有のエネルギー窓が設定され計数された蛍光X線のカウント数(強度)を出力した。測定条件を同一にするために試料の面積、照射するX線の強度、蛍光X線をカウントする時間等を同じとした。 The intensity of fluorescent X-rays (characteristic X-rays) of metal elements (E M ) such as Fe and Cu generated by irradiating the sample surface and the mirror-polished surface of the sample respectively with X-rays as follows: Measured. Fluorescent X-rays (characteristic X-rays) of each metal element (E M ) were incident on a high-resolution proportional counter, amplified by an amplifier circuit such as a preamplifier, and further decomposed for each energy by a multichannel analyzer. Here, the elements (Fe, Cu, etc.) to be measured were designated, and the count number (intensity) of fluorescent X-rays counted by setting the energy window specific to these elements was output. In order to make the measurement conditions the same, the area of the sample, the intensity of the irradiated X-ray, the time for counting the fluorescent X-rays, and the like were made the same.
このように測定した試料表面の各金属元素の蛍光X線のカウント数を例えばFe、CuについてCFe1、CCu1、焼結体内部のFe、Cuの各元素の蛍光X線のカウント数をCFe2、CCu2、とした。焼結体表面と内部の前記金属珪化物の濃度の比は、例えばFe珪化物についてはCFe1/CFe2、Cu珪化物についてはCCu1/CCu2により計算した。これら以外の金属珪化物についても同様に表面と内部の比を求めた。金属珪化物が複数の金属元素を含む場合は、少なくとも1つの金属珪化物の濃度が表面で内部より低いときに、金属珪化物の焼結体表面における濃度が焼結体内部よりも低い場合とした。また、前記金属珪化物の濃度が内部に比べて1/n(nは1よりも大きい任意の数値)であるとは、例えば前記CFe1/CFe2、CCu1/CCu2のいずれか小さい方が1/n以下である場合とした。 The count number of the fluorescent X-rays of each metal element on the sample surface measured in this way is, for example, C Fe1 and C Cu1 for Fe and Cu, and the count number of fluorescent X-rays of each element of Fe and Cu inside the sintered body is C. Fe2 and CCu2 were used. The ratio of the concentration of the metal silicide inside and on the surface of the sintered body was calculated by C Fe1 / C Fe2 for Fe silicide and C Cu1 / C Cu2 for Cu silicide, for example. The ratio between the surface and the interior was similarly determined for other metal silicides. When the metal silicide contains a plurality of metal elements, the concentration of the metal silicide on the sintered body surface is lower than the inside of the sintered body when the concentration of at least one metal silicide is lower than the inside on the surface. did. Further, the concentration of the metal silicide is 1 / n (n is an arbitrary numerical value larger than 1) compared to the inside, for example, the smaller one of C Fe1 / C Fe2 and C Cu1 / C Cu2 Was 1 / n or less.
また、試料のボール弁体を恒温槽に入れて225℃の温度に保持した後、25℃の水中に投下して熱衝撃を与え、割れまたはクラックの有無を確認した。 Moreover, after putting the ball valve body of a sample into a thermostat and maintaining the temperature of 225 degreeC, it dropped in 25 degreeC water, gave the thermal shock, and confirmed the presence or absence of the crack or a crack.
結果を表2に示す。
ボール弁体を成す窒化珪素質焼結体の粒界相における金属珪化物の表面と内部との濃度比が0.7以下、平均粒径が23μm以下であり、曲げ強度が750MPa以上、破壊靱性値が5.5MPa・m1/2と高く、割れやクラックが発生しなかった。特に、Fe珪化物、Cu珪化物のいずれかを含有する試料は投入しても割れやクラックが発生しなかった。 The concentration ratio between the surface and the inside of the metal silicide in the grain boundary phase of the silicon nitride sintered body constituting the ball valve body is 0.7 or less, the average grain size is 23 μm or less, the bending strength is 750 MPa or more, and the fracture toughness The value was as high as 5.5 MPa · m 1/2, and no cracks or cracks occurred. In particular, even when a sample containing either Fe silicide or Cu silicide was added, no cracks or cracks occurred.
また、隣接相を含有する試料は曲げ強度が840MPa以上、破壊靱性値が6.5MPa・m1/2以上と特に高くなった。また、表には示さないが本発明の全ての試料の粒界相には、RE、Al、Oを含む非晶質相が存在した。 In addition, the sample containing the adjacent phase had a particularly high bending strength of 840 MPa or more and a fracture toughness value of 6.5 MPa · m 1/2 or more. Although not shown in the table, an amorphous phase containing RE, Al, and O was present in the grain boundary phase of all the samples of the present invention.
一方、比較例として、金属珪化物の表面の濃度が内部より低いものの融点が1000℃未満の金属元素からなる金属化合物を用いた場合、金属珪化物を有していない場合(試料No.17〜19、20〜22)は、曲げ強度が650MPa以下、破壊靱性が4.8MPa・m1/2以下と低かった。 On the other hand, as a comparative example, when a metal compound composed of a metal element having a metal silicide with a lower surface concentration than the inside but having a melting point of less than 1000 ° C. is used, no metal silicide is present (sample No. 17 to 19, 20-22) had a bending strength of 650 MPa or less and a fracture toughness of 4.8 MPa · m 1/2 or less.
1、101・・・ボールバルブ
2、102・・・ボール弁体
3・・・窒化珪素質焼結体
4、104・・ステム
4a・・・端部
5、105・・・溝
6、106・・・バルブシート
7、107・・・貫通孔
7a、107a・・・表面
12:窒化珪素の結晶
14:隣接相
16:第1金属珪化物
18:第2金属珪化物
20:粒界相
21:弁箱
21a:弁箱本体
21b:封止体
22:長穴
23a〜23c:穴部
24:弁体
24a:弁本体
24b:溝
26:バルブ
26a〜26e:表面
DESCRIPTION OF
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006069472A JP4873967B2 (en) | 2005-03-29 | 2006-03-14 | Valve member, manufacturing method thereof, and valve using the same |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005095846 | 2005-03-29 | ||
JP2005095846 | 2005-03-29 | ||
JP2006069472A JP4873967B2 (en) | 2005-03-29 | 2006-03-14 | Valve member, manufacturing method thereof, and valve using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006308081A true JP2006308081A (en) | 2006-11-09 |
JP4873967B2 JP4873967B2 (en) | 2012-02-08 |
Family
ID=37475188
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006069472A Expired - Fee Related JP4873967B2 (en) | 2005-03-29 | 2006-03-14 | Valve member, manufacturing method thereof, and valve using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4873967B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101288913B1 (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-24 | 오용환 | Manufacturing method of ball seat, ball seat and ball valve for steam |
KR20160119839A (en) * | 2014-03-25 | 2016-10-14 | 쿄세라 코포레이션 | Passage member and semiconductor module |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109877541A (en) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 马鞍山旭阳机械有限公司 | A kind of manufacture craft of stainless steel Fracturing Pump Valve Box |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01222902A (en) * | 1988-03-02 | 1989-09-06 | Toshiba Ceramics Co Ltd | Ceramic hollow body, its manufacture and ceramic ball for valve |
JPH09100179A (en) * | 1995-07-26 | 1997-04-15 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Porous silicon nitride and its production |
JPH11278944A (en) * | 1998-03-26 | 1999-10-12 | Kyocera Corp | Silicon nitride corrosion resistant member and its production |
JP2001074149A (en) * | 1999-09-03 | 2001-03-23 | Ngk Insulators Ltd | Ceramic valve element for ball valve |
JP2002263917A (en) * | 2001-03-12 | 2002-09-17 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Silicon nitride material cutter |
WO2005019133A1 (en) * | 2003-08-26 | 2005-03-03 | Kyocera Corporation | Silicon nitride based sintered material and method for producing the same, and molten-metal-resistant member and wear-resistant member using the same |
-
2006
- 2006-03-14 JP JP2006069472A patent/JP4873967B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01222902A (en) * | 1988-03-02 | 1989-09-06 | Toshiba Ceramics Co Ltd | Ceramic hollow body, its manufacture and ceramic ball for valve |
JPH09100179A (en) * | 1995-07-26 | 1997-04-15 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Porous silicon nitride and its production |
JPH11278944A (en) * | 1998-03-26 | 1999-10-12 | Kyocera Corp | Silicon nitride corrosion resistant member and its production |
JP2001074149A (en) * | 1999-09-03 | 2001-03-23 | Ngk Insulators Ltd | Ceramic valve element for ball valve |
JP2002263917A (en) * | 2001-03-12 | 2002-09-17 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Silicon nitride material cutter |
WO2005019133A1 (en) * | 2003-08-26 | 2005-03-03 | Kyocera Corporation | Silicon nitride based sintered material and method for producing the same, and molten-metal-resistant member and wear-resistant member using the same |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101288913B1 (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-24 | 오용환 | Manufacturing method of ball seat, ball seat and ball valve for steam |
KR20160119839A (en) * | 2014-03-25 | 2016-10-14 | 쿄세라 코포레이션 | Passage member and semiconductor module |
CN106104797A (en) * | 2014-03-25 | 2016-11-09 | 京瓷株式会社 | Channel member and semiconductor module |
EP3125288A4 (en) * | 2014-03-25 | 2017-11-29 | KYOCERA Corporation | Passage member and semiconductor module |
KR101910358B1 (en) * | 2014-03-25 | 2018-10-22 | 쿄세라 코포레이션 | Passage member and semiconductor module |
US10262917B2 (en) | 2014-03-25 | 2019-04-16 | Kyocera Corporation | Flow passage member and semiconductor module |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4873967B2 (en) | 2012-02-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4717635B2 (en) | Silicon nitride-based sintered body, method for producing the same, member for molten metal using the same, and member for wear resistance | |
JP4854482B2 (en) | Boron carbide sintered body and manufacturing method thereof | |
JP2012508683A (en) | Corrosion-resistant bonding agent for bonding ceramic parts exposed to plasma | |
US7566675B2 (en) | Corrosion-resistant material manufacturing method | |
JP7481509B2 (en) | Sintered ceramic bodies containing magnesium aluminate spinel | |
US20240059616A1 (en) | Plasma resistant yttrium aluminum oxide chamber components | |
JP4873967B2 (en) | Valve member, manufacturing method thereof, and valve using the same | |
Sun et al. | Nanocrystalline cubic silicon carbide: A route to superhardness | |
WO2013035613A1 (en) | Bonded ceramic and process for producing same | |
JP4903431B2 (en) | Silicon nitride sintered body and manufacturing method thereof, semiconductor manufacturing apparatus member and liquid crystal manufacturing apparatus member using the same | |
Huang et al. | Effect of a new nonoxide additive, Y3Si2C2, on the thermal conductivity and mechanical properties of Si3N4 ceramics | |
JP4969030B2 (en) | Fused metal member and method for producing the same | |
JP2006036554A (en) | Silicon nitride sintered compact and its manufacturing method | |
JP6698395B2 (en) | Probe guide member and manufacturing method thereof | |
JP2006305626A (en) | Combined forming die | |
JP5161060B2 (en) | Heat resistant black member and method for producing the same | |
JP4223043B2 (en) | Black AlN ceramics | |
JP4336055B2 (en) | Aluminum nitride sintered body and method for producing the same | |
JPH11278944A (en) | Silicon nitride corrosion resistant member and its production | |
WO2021140813A1 (en) | Heat-resistant member | |
KR102209383B1 (en) | Ytterbium and Yttrium Co-doped SiAlON and the Manufacturing method of the same | |
JP2007001862A (en) | Aluminum nitride sintered compact and method of manufacturing the same | |
TW202404925A (en) | Process for sintering large diameter yag layers substantially free of unreacted yttrium oxide and yttrium rich phases | |
WO2014025062A1 (en) | Silicon nitride sintered compact and heat conduction member | |
TW202222735A (en) | Zirconia toughened alumina ceramic sintered bodies |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20081215 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110331 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110426 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110623 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111025 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111122 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141202 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4873967 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |