JP2007032805A

JP2007032805A - セラミックス螺子体とその製造方法

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Publication number: JP2007032805A
Application number: JP2005220916A
Authority: JP
Inventors: Kiyobumi Ogita; 清文荻田; Takuya Hatagishi; 琢弥畑岸; Shojiro Tatsumi; 昇二郎巽; Hiromichi Kikuchi; 弘道菊地
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】電気絶縁性、耐化学性及び耐腐食性に加え、強度性のある螺子部を備えたセラミックス螺子体の提供。
【解決手段】セラミックス螺子体であるセラミックスボルト１は主成分であるジルコニアと副成分であるイットリアとを含む粉末状の原料を、軸棒部１０の少なくとも一端側に雄ねじ部１１が備えられた形状となるように、加圧成形後に加熱焼成して形成され、雄ねじ部１１のピッチ寸法Ｐは並目ねじのピッチ寸法より大きく設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸棒部の少なくとも一端側に螺子体を備えたセラミックス螺子体、特にジルコ二アを主成分とし高耐腐食性（電気的腐食、化学的腐食）且つ高強度な特性を有するセラミックス螺子体に関する。

セラミックスからなる螺子体例えばボルトは、従来、呼び名がＭ６，Ｍ８，Ｍ１０といった小径のものが知られており、また、これらのボルトは、射出成形により形成されている。これらのボルトを開示する特許文献としては、例えば、特許文献１（特開平６−１７０８９３）、特許文献２（実開平５−１０１０）、特許文献３（実開平６−０８１８２６）、特許文献４（特開平７−１９００３２）、特許文献５（特開平８−００４７３８）がある。特に、特許文献１にはセラミックス螺子体の射出成形に関する技術が示されている。このボルトの原料としては、アルミナ、ジルコニア、アルミナ−ジルコニア複合材、ムライト、窒化珪素、炭化珪素等が例示されている。特許文献３にはファイバーで補強されたセラミックスボルトが示されている。
特開平６−１７０８９３実開平５−１０１０実開平６−０８１８２６特開平７−１９００３２特開平８−００４７３８

セラミックスボルトのようなセラミックス螺子体に関する市場の要求は多々あるものの、螺子体の提供は十分なものではないのが現状である。その理由としては、セラミックスは強度に弱点があるとされている。しかも、価格面と強度面と螺子体の種類といった市場の多様な要求に応えられる螺子体の提供は十分なものではなかった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、その目的はセラミックス本来の電気絶縁性、耐化学性及び耐腐食性に加え、強度性のある螺子部を備えたセラミックス螺子体の提供にある。

そこで、請求項１記載のセラミックス螺子体は、主成分であるジルコニアと副成分であるイットリアとを含む粉末状の原料を、非雄ねじ部である軸棒部の少なくとも一端側に雄ねじ部が備えられた形状となるように、加圧成形後に加熱焼成して形成され、その雄ねじ部のピッチ寸法は並目ねじのピッチ寸法より大きいこと特徴とする。

請求項２記載のセラミックス螺子体は、請求項１記載のセラミックス螺子体において、前記雄ねじ部は軸棒部の両端側、軸棒部の全長のいずれかに設けられたことを特徴とする。

請求項３記載のセラミックス螺子体は、請求項１または２記載のセラミックス螺子体において、前記雄ねじ部のピッチ寸法は並目ねじのピッチ寸法よりも１．３〜３倍大きいことを特徴とする。

請求項４記載のセラミックス螺子体は、請求項１から３のいずれか１項に記載のセラミックス螺子体において、前記雄ねじ部のねじ山の頂と谷を曲面に加工したことを特徴とする。

請求項５記載のセラミックス螺子体は、請求項１から４のいずれか１項にセラミックス螺子体において、前記加熱焼成後少なくとも雄ねじ部はその表面の粗さが表面加工前の粗さよりも低くなるように加工されたことを特徴とする。

請求項６記載のセラミックス螺子体の製造方法は、主成分であるジルコニアと副成分であるイットリアとを含む粉末状の原料を、非雄ねじ部である軸棒部の少なくとも一端側に雄ねじ部が備えられた形状となるように、加圧成形して成形体を形成した後に、加熱焼成してセラミックス螺子体を生成するセラミックス螺子体の製造方法であって、前記成形体を形成するための型枠は前記雄ねじ部のピッチ寸法が並目ねじのピッチ寸法より大きくなるように形成されたことを特徴とする。

請求項７記載のセラミックス螺子体の製造方法は、請求項６記載のセラミックス螺子体の製造方法において、前記成形体を加熱焼成して生成した焼成体の少なくとも雄ねじ部の表面の粗さが表面加工前の粗さよりも低くなるように前記表面を加工することを特徴とする。

請求項１記載のセラミックス螺子体、及び請求項６記載のセラミックス螺子体の製造方法によれば、ジルコニアを主成分とすることによりセラミックス螺子体の強度性が高まることが確認されている。また、その雄ねじのピッチ寸法が並目ねじのピッチ寸法より大きくなっているので、ねじ部の強度が向上し、強度性を高めたセラミックス螺子体を提供できる。前記雄ねじ部は、請求項２記載のセラミックス螺子体のように、軸棒部の両端側、軸棒部の全長のいずれかに設けるとよい。前記螺子体としては、六角頭付きボルト、全ねじボルト、六角穴付きボルト等が例示される。前記雄ねじのピッチ寸法としては、請求項３記載のセラミックス螺子体のように、並目ねじのピッチ寸法よりも１．３〜３倍大きくするとよい。

また、請求項４記載のセラミックス螺子体によれば、雄ねじ部のねじ山の頂と谷を曲面に加工したことにより、請求項１〜３記載のセラミックス螺子体の作用に加え、雄ねじ部の谷や前記雄ねじ部と螺合する雌ねじの谷に異物が混入してもセラミックス螺子体の締め付け作用を維持させることができる。

さらに、請求項５記載のセラミックス螺子体、及び請求項７記載のセラミックス螺子体の製造方法によれば、少なくとも雄ねじ部の表面の粗さを低減させることにより、請求項１〜４記載のセラミックス螺子体並びに請求項６記載の製造方法によって製造されたセラミックス螺子体の強度性がより一層高まることが確認されている。これにより、セラミックス螺子体の用途範囲が拡大する。

したがって、本発明の請求項１〜５記載のセラミックス螺子体、並びに請求項６及び７記載のセラミックス螺子体の製造方法によれば、セラミックス本来の電気絶縁性、耐化学性、耐腐食性に加え、強度性を高めたセラミックス螺子体を提供できる。特に、土木部材としての利用に好適な螺子体（ボルト等）、例えば、硫化物や塩化物を含んだ雰囲気の悪環境での使用に好適な螺子体を提供できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に係るセラミックスボルトの側面を示した概略図である。図１（ｂ）は前記セラミックスボルトの雄ねじ部に形成されたねじ山の断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の他の一実施形態に係るセラミックスボルトの側面を示した概略図である。図３（ｃ）は前記セラミックスボルトに形成された螺子部と軸棒部の連接部の状態を示した拡大断面図である。

セラミックスボルト１は、図１（ａ）に示されたように軸棒部１０と雄ねじ部１１とからなる。雄ねじ部１１は軸棒部１０の一端側、両端側、軸棒部１０の全長のいずれかに形成される。また、本発明の他の実施形態に係るセラミックス螺子体としては、図２（ａ）に示された軸棒部２０と雄ねじ部２１と六角頭２２とを有する六角頭付きボルト２や、図２（ｂ）に示された雄ねじ部３１からなる全ねじボルト３、その他には、図示省略された六角穴付きボルトが例示される。さらに、六角頭付きボルトや六角穴付きボルトの形態については、図３（ａ）に示されたセラミックスボルト４や、図３（ｂ）に示されたセラミックスボルト５が例示される。セラミックスボルト４は軸棒部４０の外径が雄ねじ部４１の外径及び谷径よりも小さくなっている。軸棒部４０と雄ねじ部４１との接続部分には首下丸み部４２が形成されている。セラミックスボルト５は軸棒部５０の外径が雄ねじ部５１の外径及び谷径よりも小さくなっている。軸棒部５０と雄ねじ部５１は連接部５３を介して接続されている。連接部５３は外径が漸次減少するように形成されたテーパー状の側面を有している。尚、図３（ｃ）に示されたように、雄ねじ部５１と連接部５３と接続部分には首下丸み部５２が形成されている。

雄ねじ部１１のピッチ寸法Ｐは並目ねじのピッチ寸法より大きく設定されている。かかる構成によれば、雄ねじ部１１の強度が向上し、強度性を高めたセラミックスボルトを提供できる。具体的には雄ねじ部１１のピッチ寸法Ｐを並目ねじのピッチ寸法よりも１．３〜３倍大きく設定するとよい。

雄ねじ部１１のねじ山１１０の頂１１１と谷１１２は図１（ｂ）に示したように曲面に加工するとよい。谷１１２や雄ねじ部１１と螺合する図示省略された雌ねじの谷に異物が混入してもセラミックスボルトの締め付け作用を維持させることができるからである。

セラミックスボルト１は、主成分であるジルコニアと副成分であるイットリアとを含む粉末状の原料を加圧成形して所定形態（例えば図１、図２及び図３に示したセラミックスボルトの形態）の成形体を形成した後に加熱焼成することにより生成される。尚、前記成形体を形成するための型枠は雄ねじ部１１のピッチ寸法Ｐが並目ねじのピッチ寸法より大きくなるように形成される。

前記ジルコニアの粉末としては粒径５０ｎｍ以下とするとよい。加圧成形するときの圧力は５０ＭＰａ以上に設定される。加圧成形ための手段には既知の方法例えばＣＩＰ（ＣｏｌｄＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ，冷却間等方圧加工法）やＨＩＰ（ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ，熱間等方圧加工法）に準じた方法を採用すればよい。加熱焼成するときの温度は１４００℃以上に設定される。

前記加熱焼成して生成した焼成体の少なくとも雄ねじ部１１の部分はその粗さが表面加工前の粗さよりも低くなるように表面加工処理するとよい。前記焼成体は、その表面の粗さが１５０μｍ程度あるが、表面粗さが３０μｍ未満となるように表面を改質させると、螺子体の強度を高めることができ、螺子体の用途範囲が拡大する。もちろん、前記表面の改質を行わなくても、必要な強度範囲において使用可能である。前記表面処理するための方法は、既知の加工方法を採用すればよい。例えば、特開２００１−１９５３７、特開平３−２７９２８６に示された摩擦加工方法や、さらには、ブラスト、超音波による加工方法が挙げられる。尚、少なくとも雄ねじ部１１を表面加工とは、図１（ａ）に示されたように雄ねじ部１１に連接する棒軸部１０がある場合には、連接する軸棒部１０の少なくとも一部または全部を表面加工することを意味する。

次に、様々な加圧成形条件及び焼成条件で製造したセラミックスボルトの強度性を調べた結果を表１に示した。

試料Ｓ１は、主成分のジルコニア（酸化ジルコニウム,平均結晶子径３８ｎｍ）と副成分のイットリア（酸化イットリウム,４．９５〜５．３５重量％）と不可避成分（ＳｉＯ₂≦０．０２重量％,Ａｌ₂Ｏ₃≦０．１５〜０．３５重量％）とを含有した原料（東ソー株式会社製の型式ＴＺ−３ＹＳＢ−Ｃ,非表面積７ｍ²／ｇ,平均顆粒径８２μｍ）を所定の形状となるように５０ＭＰａの成形圧力で加圧成形して成形体を生成した後、この成形体を表１に示された所定の焼成温度で昇温及び降温することにより焼成して得られたセラミックスボルトである。このセラミックスボルトは、図１に示されたような両ねじボルトの形状を成し、全長Ｌは１６０ｍｍ、軸棒部の長さＬ₁は８０ｍｍ、雄ねじ部の長さＬ₂は４０ｍｍ、雄ねじ部の外径Ｄ₁は２４ｍｍ、雄ねじ部の谷径Ｄ₂は２１ｍｍ、雄ねじ部のピッチＰは６ｍｍ、雄ねじ部のねじ山と谷の曲面半径ｒは１．５ｍｍに設定された。前記加圧成形はＣＩＰ法に準拠した方法で行った。この加圧成形法に供した型枠には材質が硬度５０のウレタンゴムからなる成形ゴム型が採用された。また、成形体は焼成に供される前に目視によりクラックの有無を確認することで外観が評価された。成形体の焼成はグリーン体（焼成する前の成形体）の脱脂工程と焼成工程を行えると共に焼成温度を任意に変えられる電気炉にて行った。また、この焼成によって得られた焼成体も目視によりクラックの有無を確認することで外観の評価がなされた。

試料Ｓ２は成形圧力が７０ＭＰａであること以外は試料１と同じ原料、成形法及び焼成法によって作成し、成形体と焼成体の外観評価も試料１の評価と同じ方法で行った。

試料Ｓ３は成形圧力が８０ＭＰａであること以外は試料１と同じ原料、成形法及び焼成法によって作成し、成形体と焼成体の外観評価も試料１の評価と同じ方法で行った。

試料Ｓ４は成形圧力が９０ＭＰａであること以外は試料１と同じ原料、成形法及び焼成法によって作成し、成形体と焼成体の外観評価も試料１の評価と同じ方法で行った。

試料Ｓ５は成形圧力が９８ＭＰａであること以外は試料１と同じ原料、成形法及び焼成法によって作成し、成形体と焼成体の外観評価も試料１の評価と同じ方法で行った。

試料Ｓ６は成形圧力が７０ＭＰａであることと焼成温度とその昇温及び降温パターンが表１に示された条件であること以外は試料１と同じ原料、成形法及び焼成法によって作成し、成形体と焼成体の外観評価も試料１の評価と同じ方法で行った。

試料Ｓ７は成形圧力が８０ＭＰａであること以外は試料６と同じ原料、成形法及び焼成法によって作成し、成形体と焼成体の外観評価も試料１の評価と同じ方法で行った。

試料Ｓ８は成形圧力が９０ＭＰａであること以外は試料６と同じ原料、成形法及び焼成法によって作成し、成形体と焼成体の外観評価も試料１の評価と同じ方法で行った。

表１に示された成形体と焼成体の外観評価結果から明らかなように、試料Ｓ１〜Ｓ５は成形体及び焼成体の段階でクラックが生じないことが確認された。一方、試料Ｓ６〜Ｓ８は、成形体の段階ではクラックが生じなかったが、焼成体の段階でクラックが生じたことが確認された。このクラックは焼成の過程における降温が急激すぎて成形体の内部のガス抜きが不十分なため生じたものと考えられる。

また、表１にはクラックの生じなかった試料Ｓ１〜Ｓ５について強度を評価した結果が示されている。強度評価は引張破断応力の測定により行った。前記引張破断応力を評価するための引張試験は、図４に示したように、型枠６０に打設されたコンクリート６１に埋設されたアルミナセラミックスからなるセラミックインサート６２に試料であるセラミックス螺子体６３を螺合させた後に、このセラミックス螺子体６３に引張部材６５をカプラ６４によって接続し、そしてロードセル６６を介して引張部材６５を引張り、荷重を加えることにより引張破断応力の測定を行った。前記引張破断応力の測定結果については焼成体を表面処理しない場合と表面処理した場合の測定結果が示されている。前記表面処理はダイヤモンド砥石により試料の雄ねじ部と軸棒部の全面を研削することにより前記試料の表面の粗さを低減させた（粗さ３０μｍ未満、粗さ１０μｍ未満）。

表１に示された引張破断応力の測定結果から明らかなように、表面処理が施されていない場合には引張破断応力２０８Ｎ／ｍｍ²以上の強度を具備するセラミックスボルトが得られることが確認された。尚、破断は不完全ねじ部（雄ねじ部近傍の軸棒部）で発生が認められた。

従来例に係る市販のジルコニア製セラミックスボルトである呼び名Ｍ６のセラミックスボルトの引張破断応力が３３．８Ｎ／ｍｍ²であり、また、呼び名Ｍ８のセラミックスボルトの引張破断応力が７７．０Ｎ／ｍｍ²であるので、試料Ｓ１〜Ｓ５によれば、焼成体の段階で表面処理が施されなくても（表面の粗さが１５０μｍ未満であっても）、従来品と比較して高強度のセラミックスボルトを提供できることが示された。

また、表１に示された引張破断応力の測定結果から明らかなように、表面処理が施された場合には引張破断応力２３５Ｎ／ｍｍ²以上の強度を具備するセラミックスボルトが得られることが確認された。特に表面の粗さが３０μｍ未満に設定されると、引張破断応力２３５Ｎ／ｍｍ²以上の強度を具備するセラミックスボルトが得られることが確認された。さらに、表面の粗さが１０μｍ未満に設定されると、引張破断応力２４２Ｎ／ｍｍ²以上の強度を具備するセラミックスボルトが得られることが確認された。

したがって、焼成体に表面処理を施さなくても十分な強度のセラミックスボルトが得られ、表面処理すればさらに１０％以上の強度の向上が図れることがわかり、使用目的と要求される強度に応じたセラミックスボルトを提供できることがわかる。

さらに、試料Ｓ１〜Ｓ５と同様の製造方法で製造された全長Ｌが１４０ｍｍ、軸棒部１０の長さＬ₁が８０ｍｍ、雄ねじ部１１の長さＬ₂が３０ｍｍ、雄ねじ部１１の外径Ｄ₁が２４ｍｍ、雄ねじ部１１の谷径Ｄ₂が２１ｍｍ、雄ねじ部１１のピッチＰが３ｍｍである並目両ねじボルトの形状のセラミックスボルトについて引張破断応力を調べると、焼成体の段階で表面処理が施されていないセラミックスボルトの引張破断応力は１２８〜１４１Ｎ／ｍｍ²となることが確認された。また、焼成体の段階で表面処理が施されたセラミックスボルトの引張破断応力は１４０〜１５９Ｎ／ｍｍ²となることが確認された。

したがって、セラミックスボルトにおいて、雄ねじ部のねじ山と谷のピッチ寸法を並目雄ねじのねじ山と谷のピッチ寸法よりも大きくすれば、前記セラミックスボルトの強度が向上することが確認された。また、雄ねじ部のねじ山と谷のピッチ寸法が並目雄ねじのねじ山と谷のピッチ寸法よりも１．３倍以下では強度の向上が認められなかった。さらに、３倍以上では３倍の場合に比較して強度の向上が認められなかった。このことから、雄ねじ部のねじ山と谷のピッチ寸法が並目雄ねじのねじ山と谷のピッチ寸法よりも１．３〜３倍であることが適切であり、特に、１．５〜２．５倍が好ましいことが確認された。また、ボルトの締め付けの観点から２倍程度が好ましいことが確認された。

（ａ）は本発明の一実施形態に係るセラミックスボルトの側面を示した概略図、（ｂ）は前記セラミックスボルトの雄ねじ部に形成されたねじ山の断面図。（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の一実施形態に係るセラミックスボルトの側面を示した概略図。（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の一実施形態に係るセラミックスボルトの側面を示した概略図、（ｃ）は前記セラミックスボルトに形成された螺子部と軸棒部の連接部の状態を示した拡大断面図。セラミックスボルトの性能試験の説明図。

符号の説明

１，４，５…セラミックスボルト
２…六角頭付きボルト
３…全ねじボルト
１０，２０，４０，５０…軸棒部
１１，２１，３１，４１，５１…雄ねじ部
４２，５２…首下丸み部
５３…連接部
１１０…ねじ山、１１１…頂、１１２…谷

Claims

主成分であるジルコニアと副成分であるイットリアとを含む粉末状の原料を、非雄ねじ部である軸棒部の少なくとも一端側に雄ねじ部が備えられた形状となるように、加圧成形後に加熱焼成して形成され、その雄ねじ部のピッチ寸法は並目ねじのピッチ寸法より大きいこと特徴とするセラミックス螺子体。
前記雄ねじ部は軸棒部の両端側、軸棒部の全長のいずれかに設けられたことを特徴とする請求項１記載のセラミックス螺子体。
前記雄ねじ部のピッチ寸法は並目ねじのピッチ寸法よりも１．３〜３倍大きいことを特徴とする請求項１または２記載のセラミックス螺子体。
前記雄ねじ部のねじ山の頂と谷を曲面に加工したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセラミックス螺子体。
前記加熱焼成後少なくとも雄ねじ部はその表面の粗さが表面加工前の粗さよりも低くなるように加工されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項にセラミックス螺子体。
主成分であるジルコニアと副成分であるイットリアとを含む粉末状の原料を、非雄ねじ部である軸棒部の少なくとも一端側に雄ねじ部が備えられた形状となるように、加圧成形して成形体を形成した後に、加熱焼成してセラミックス螺子体を生成するセラミックス螺子体の製造方法であって、前記成形体を形成するための型枠は前記雄ねじ部のピッチ寸法が並目ねじのピッチ寸法より大きくなるように形成されたことを特徴とするセラミックス螺子体の製造方法。
前記成形体を加熱焼成して生成した焼成体の少なくとも雄ねじ部の表面の粗さが表面加工前の粗さよりも低くなるように前記表面を加工することを特徴とする請求項６記載のセラミックス螺子体の製造方法。