JP2015113614A

JP2015113614A - フラックボールおよびこれを備える掘進装置用筒状部材

Info

Publication number: JP2015113614A
Application number: JP2013255502A
Authority: JP
Inventors: 泰志中野; Yasushi Nakano; 勝美中村; Katsumi Nakamura; 直行志野; Naoyuki Shino; 源通　拓哉; Takuya Gendoshi; 拓哉源通; 高坂　祥二; Shoji Kosaka; 祥二高坂
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-06-22

Abstract

【課題】高い水圧に耐えることができるとともに、破砕するための工具に与える損傷を小さくし、掘進作業効率を向上させることができるフラックボールおよびこれを備える掘進装置用筒状部材を提供する。【解決手段】セラミックスからなる略球面体であり、該球面体の少なくとも一部に破砕容易部を備えているフラックボールである。フラックボール１とボール係止部２とが、筒状体３内に配置されている掘進装置用筒状部材である。【選択図】図１

Description

本発明は、フラックボールおよびこれを備える掘進装置筒状部材に関するものである。

従来、坑内の掘進に用いられる掘進装置において、内部に、フラックボールおよびボール係止部が配置された掘進装置用筒状部材が用いられている。この、フラックボールは、ボール係止部に係止された際に、高い水圧に耐える強度を有しているものであるが、掘進後には、破砕されて用いられるものである。

例えば、特許文献１では、坑内の掘進に適用される筒状連体からなり、連体は、座と、座を閉塞するために前記筒状連体中に配置された活性ボールとからなり、ボールは2.0以
下の比重を有する金属材料で形成された球状体からなるシステムが提案されている。

国際公開第2012／009311号

しかしながら、特許文献１で提案された金属材料で形成された球状体は、高い水圧に耐えることができるものであるものの、掘進を終え、ドリル等の工具で破砕すると、工具に与える損傷が大きく、頻繁に工具を取り換えなければならないという問題があった。また、細かく砕くことも容易ではなかったため、薬液で溶解しようとしても、多大な時間を要するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、高い水圧に耐えることができるとともに、破砕するための工具に与える損傷を小さくし、掘進作業効率を向上させることができるフラックボールおよびこれを備える掘進装置用筒状部材を提供することを目的とするものである。

本発明のフラックボールは、セラミックスからなる略球面体であり、該球面体の少なくとも一部に破砕容易部を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明の掘進装置用筒状体は、上記構成のフラックボールとボール係止部とが、筒状体内に配置されていることを特徴とするものである。

本発明のフラックボールによれば、工具による破砕がしやすくなり、工具に与える損傷を小さくすることができることから、工具寿命が延びるため、掘進作業効率の向上を図ることができる。

本発明の掘進装置用筒状部材によれば、掘進作業に好適に用いることができる。

本実施形態の掘進装置用筒状部材の一例を示す断面図である。本実施形態のフラックボールの一例を示す断面図である。本実施形態のフラックボールの他の例を示す正面図である。本実施形態のフラックボールの他の例を示す断面図である。本実施形態のフラックボールの他の例を示す断面図である。本実施形態のフラックボールの他の例を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態の例について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本実施形態の掘進装置用筒状部材の一例を示す断面図である。掘進用筒状部材10は、フラックボール１と、ボール係止部２とが、筒状体３内に配置されているものである。なお、掘進装置用筒状部材10の先端に取り付けられる掘削部によって坑内の掘削が行われる。そして、フラックボール１は、ボール係止部２側において高い水圧を受け、図１においては上側から進んでくるドリル等の工具で破砕されるものである。

図１に示す例のフラックボール１は、セラミックスからなる略球面体であり、球面体の少なくとも一部に破砕容易部を備えている。このような構成を満たしていることにより、高い水圧に耐えることができるとともに、ドリル等の工具で破砕しやすいため、工具に与える損傷を小さくすることができる。それゆえ、工具寿命が延びることから掘進作業効率の向上を図ることができる。

また、破砕片を小さくすることができるため、破砕片が詰まることが少なく、破砕用の工具の挿入を容易にすることができる。併せて、岩盤、地盤等の電気抵抗やガスの濃度を測定するためのセンサーの挿入も容易にすることができる。

そして、フラックボール１を構成するセラミックスとしては、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとのマトリックスセラミックス（以下、アルジル質焼結体という。）等を用いることができる。また、フラックボール１を構成するセラミックスが、酸化ジルコニウム質焼結体からなるときには、破砕用の工具による破砕のみならず、水熱反応を利用した破砕を行なうことができる。

ここで、本実施形態のフラックボール１とは、その直径が、例えば、25ｍｍ以上100ｍ
ｍ以下の球面体であり、本実施形態において球面体とは、真球若しくは真球に近い形状のみに限定されるものではなく、楕円体や球面の一部に平面部等を有しているものも含む概念である。

なお、上述した酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、アルジル質焼結体とは、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの合算がそれぞれフラックボール１を構成する全成分100質量％のうち80質量％以上含有する焼結体のことをいう。

そして、フラックボール１を構成する成分の含有量については、蛍光Ｘ線分析装置またはＩＣＰ発光分光分析装置を用いて金属元素の含有量を求め、例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）やアルミニウム（Ａｌ）は、それぞれＺｒＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３に換算し、珪素（Ｓｉ）は、Ｓｉ_３Ｎ_４に換算して求めればよい。なお、構成する成分の同定については、Ｘ線回折装置を用いて確認すればよい。

そして、本実施形態の掘進用筒状部材10は、フラックボール１と、ボール係止部２とが、筒状体３内に配置されているものであることから、掘進作業に好適に用いることができる。

図２は、本実施形態のフラックボールの一例を示す断面図である。まず、図２（ａ）に示すフラックボール１ａは、中空体からなり、中空部が破砕容易部となるものである。また、図２（ｂ）に示すフラックボール１ｂは、表層部４と内部と５を有しており、表層部４における気孔率と内部５における気孔率が異なっているものであり、気孔率の高い方が破砕容易部となるものである。

さらに、図２に示すフラックボール１ｃは、球面体の中心を対称として、一方の半球６にける気孔率と、他方の半球７における気孔率が異なっているものであり、気孔率の高い方が破砕容易部となるものである。

そして、このような破砕容易部を備えていることにより、工具による破砕を容易にすることができる。また、図２（ａ）に示すフラックボール１ａは、破砕片の量を少なくすることができる。

なお、図２（ｂ）に示すフラックボール１ｂにおいては、内部５における気孔率が、表層部４における気孔率よりも高いことが好適である。これにより、高い水圧による球面体の破砕は起こりにくく、表層部４を破砕する際の機械的衝撃によって内部５が破砕されるとともに、破砕片を小さくすることができる。

また、図２（ｃ）においては、球面体の中点を対称として、一方の半球６における気孔率と、他方の半球７における気孔率が異なっているものであれば、図２（ｃ）における左から右、若しくは右から左等に気孔率が傾斜しているものであってもよい。

図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すフラックボール１ｂ，１ｃにおいて、気孔率の差は１％以上、特に３％以上であることが好適であり、気孔率は、ＪＩＳＲ 1634−1998に準拠して求めればよく、それぞれの部分から３箇所程度測定した気孔率の平均値を用いて比較して差があるか否かを判断すればよい。なお、表層部４とは、表面から球面体の中心に向かっての深さが、球面体の直径の５％以内の領域をいい、内部５とは表層部４を除く領域をいう。なお、図２（ａ）に示す中空体においても、表層部４と内部５とを有していてもよい。

次に、図３は、本実施形態のフラックボールの他の例を示す正面図である。図３（ａ）は放射状の溝を有するフラックボール１ｄを示し、図３（ｂ）は周回する溝を有するフラックボール１ｅを示している。

フラックボール１ｄ，１ｅのように、球面体の表面の少なくとも一部に溝８を備えているときには、ドリル等の工具で破砕しやすくなり、工具に与える損傷をより小さくすることができる。なお、この溝８は、図３に示す溝に限るものではなく、破砕が容易となるものであれば切り欠き等でもよいことはいうまでもない。

図４は、本実施形態のフラックボールの他の例を示す断面図である。断面形状において、（ａ）は三角形状、（ｂ）は四角形状、（ｃ）は台形状、（ｄ）は四角形と円形とを組み合わせた形状の穴９を有するフラックボール１ｆ〜１ｉである。なお、この穴９も破砕容易部となる。

フラックボール１ｆ〜１ｉのように、球面体の表面の少なくとも一部に穴９を備えているときには、ドリル等の工具で破砕しやすくなり、工具に与える損傷をより小さくすることができる。

また、図４（ｃ），（ｄ）に示すように穴９が、開口部における開口面積よりも内部における面積が大きいことが好適である。このような構成であるときには、水熱反応を利用した破砕を行なうことができる。なお、この穴９は、図４に示す穴に限るものではないことはいうまでもない。

次に、図５は、本実施形態の他の例を示す断面図である。図５に示すフラックボール１ｊのように、球面体の表面の少なくとも一部に、樹脂層11を備えているときには、水圧によって球面体に掛かる応力を緩和することができる。なお、樹脂層11は、球面体におけるボール係止部側に備えることが好適であり、球面体の全面に設けられているものであってもよい。

ここで、樹脂層６を形成する樹脂としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ホリエステル樹脂、フッ素樹脂またはエポキシ樹脂であることが好適である。

次に、図６は、本実施形態のフラックボールの他の例を示す断面図である。図６に示すフラックボール１ｋのように、球面体の少なくとも一部に収容部12を備え、収容部12内に腐食性液体が入っているときには、機械的衝撃または熱的衝撃を収容部12に与えることにより、その内部に収容されている腐食性液体が流出することとなり、例えば、腐食性液体としてアルカリ性の液体を入れておき、筒状体３内に高温の水蒸気を充満させておけば、アルカリ性の液体と高温の水蒸気との反応によってフラックボール１ｋを破砕させることができる。収容部12の材質としては、腐食性液体がアルカリ性である場合、形状を制御しやすく、耐熱性および耐アルカリ性とも高いという観点から、ポリエチレンテレフタレートまたは環状オレフィンコポリマーからなることが好適である。

次に、本実施形態のフラックボールの製造方法の一例について説明する。

主成分として酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、あるいは酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの混合粉のいずれかの粉末と、焼結助剤や安定化剤の作用をなす粉末とを原料粉末とし、バレルミル、回転ミル、振動ミル、ビーズミルまたはアトライター等を用いて湿式混合し、粉砕して第１のスラリーとする。

ここで、主成分が酸化ジルコニウムおよびアルジルである場合には、安定化剤として、希土類元素の酸化物、酸化ハフニウム、酸化セリウム、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムから選ばれる少なくともいずれかを用いる。ここで、希土類元素の酸化物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化エルビウムおよび酸化ディスプロシウム等が挙げられる。また、焼結助剤として酸化チタンを添加してもよい。

また、主成分が酸化アルミニウムおよびアルジルである場合には、焼結助剤として、例えば、酸化珪素、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムを用いればよい。

また、主成分が窒化珪素である場合には、焼結助剤は、例えば、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、希土類元素の酸化物、アルミン酸マグネシウム等から選択して用いればよい。

なお、第１のスラリー作製における粉末の粉砕は、焼結性を向上させるために、粒度分布曲線の累積体積の総和を100％としたときの累積体積が90％となる粒径（Ｄ_９０）が３
μｍ以下となるまで行なうことが好適である。また、粉砕を短時間で行なうには、予め累積体積50％となる粒径（Ｄ_５０）が１μｍ以下の粉末を用いることが好適である。

また、パラフィンワックスやポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコー
ル（ＰＥＧ）等の有機バインダを原料粉末100質量部に対して１質量部以上10質量部以下
でスラリーに混合することが、成形性のために好適である。さらに、分散性を高めるために分散剤を添加することが好適である。

ここで、中空体からなるフラックボールを得るには、回転軸を備えるとともに、溶媒吸収性を有する成形型に第１のスラリーを注入して注入口を封止する。そして、回転速度を、例えば、200〜300ｒｐｍとして成形型を回転させた後、減速して、50〜70ｒｐｍの速度範囲で５〜15分保持することにより、第１のスラリーは成形型の内壁に着肉するので、着肉後、脱型することにより中空体である成形体を得ることができる。

また、中空体からなるフラックボールを得る別の方法としては、熱分解性を有する樹脂からなる中子を準備し、転動造粒法を用いて、主成分の粉末と、焼結助剤および安定化剤のいずれかとなる粉末とにより、中子を囲繞することによって予備成形体を得る。そして、この予備成形体を上述した冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ）によって成形体とすることができる。

次に、中実体を例とし、表層部における気孔率と内部における気孔率とが異なるフラックボールを得るには、第１のスラリーと、例えば、第１のスラリーに、原料粉末100質量
部に対して１質量部以下13質量部以下の造孔剤が含まれる第２のスラリーとを準備する。

次に、粒径（Ｄ_９０）が３μｍ以下となるまで粉砕した第１のスラリーをＡＳＴＭＥ11−61に記載されている粒度番号が200のメッシュまたはこのメッシュより細かいメッシ
ュの篩いに通した後に、噴霧乾燥装置を用いて第１の顆粒を得る。第２のスラリーも上述した方法と同じ方法により第２の顆粒を得る。

そして、第１の顆粒を所定の成形型に充填して、一軸加圧法により加圧して圧粉体とした後、第２の顆粒でこの圧粉体を覆うように、厚みが、例えば、0.3ｍｍ以上0.7ｍｍ以下のシート状ゴムにより内包し、冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ）により相対密度が45％以上60％以下の成形体とする。

ここで、所定の成形型とは、上パンチ、下パンチおよびダイスとからなり、上下方向に上パンチおよび下パンチを備え、この上パンチおよび下パンチの周囲にダイスが配置されてなる型である。

また、球面体の中点を対称として、一方の半球における気孔率と、他方の半球における気孔率が異なるフラックボールを得るには、例えば、下パンチ側に第１の顆粒を配置し、上パンチ側に第２の顆粒を配置して成形すればよい。

ここで、一軸加圧法および冷間等方圧加圧法で用いる成形圧力は、それぞれ10〜30ＭＰａ，50〜137ＭＰａの範囲であれば、成形体の密度の向上や顆粒の潰れ性の観点より好適
である。

また、球面体の表面の少なくとも一部に、溝や穴を備えるフラックボールを得るには、例えば、成形体に切削加工を施せばよい。

また、内部における気孔率が、表層部における気孔率よりも低いフラックボールを得るには、第２の顆粒を所定の成形型に充填して、一軸加圧法により加圧して圧粉体とした後、バレル研磨機または球体成形機などで研磨する。そして、研磨された圧粉体を内部を構成する主成分と同じ主成分の粉末中で所定の直径になるまで転動造粒することにより成形体を得ることができる。

そして得られた成形体の主成分が、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムまたはアルジルである場合には、大気雰囲気中で、また、主成分が窒化珪素である場合には、雰窒素雰囲気中で、例えば、温度を400℃以上800℃以下で脱脂する。なお、中子を用いて成形体を作製した場合には、中子を形成する樹脂を焼失させなければならず、大気圧よりも高い圧力、例えば、大気圧の1.6倍以上２倍以下で加圧しながら脱脂する。

次に、成形体の主成分が酸化ジルコニウムである場合には、大気雰囲気中、焼成温度を1300℃以上1600℃以下として２〜10時間保持することにより酸化ジルコニウム質焼結体からなるフラックボールを得ることができる。

また、酸化ジルコニウム質焼結体からなるフラックボールの緻密化が要求される場合には、焼成後、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）により、大気雰囲気中、温度および圧力をそれぞれ1250℃以上1600℃以下、150ＭＰａ以上250ＭＰａとして、1.5〜2.5時間保持すればよい。

次に、成形体の主成分が酸化アルミニウムである場合には、大気雰囲気中、焼成温度を1400℃以上1700℃以下として２〜10時間保持することにより酸化アルミニウム質焼結体からなるフラックボールを得ることができる。

また、酸化アルミニウム質焼結体からなるフラックボールの緻密化が要求される場合には、焼成後、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）により、大気雰囲気中、温度および圧力をそれぞれ1500℃以上1500℃以下、150ＭＰａ以上250ＭＰａとして、1.5〜2.5時間保持すればよい。

次に、成形体の主成分が窒化珪素である場合には、黒鉛抵抗発熱体を加熱手段とする焼成炉内に成形体を配置して焼成する。

温度については、室温から300〜1000℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素
ガスを導入して、窒素分圧を10〜2000ｋＰａに維持する。そして、さらに昇温を続け、焼成温度を1700℃以上1800℃未満として、10〜15時間保持することにより窒化珪素質焼結体からなるフラックボールを得ることができる。

また、窒化珪素質焼結体からなるフラックボールの緻密化が要求される場合には、焼成後、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）により、窒素雰囲気中、温度および圧力をそれぞれ1500℃以上1600℃以下、150ＭＰａ以上250ＭＰａとして、1.5〜2.5時間保持すればよい。

ここで、窒化珪素を主成分とする成形体の配置方法として、成形体を窒化珪素または炭化珪素を主成分とする粉末中に埋設する方法を用いれば、電気炉において大気中で焼成することができる。このような方法を用いると、成形体をそれら粉末中に埋設したことにより大気中の酸素ガスは遮断され、実質的に焼成雰囲気は窒素雰囲気となる。

なお、第１の極部側の球面に、破砕起点部を備えてなるフラックボールを得るには、先端が鋭利なピンまたはダイヤモンド等の硬質な成分からなる圧子を成形体または焼結体の球面に押し込めばよい。

また、球面体の表面の少なくとも一部に、樹脂層を備えるフラックボールを得るには、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ホリエステル樹脂、フッ素樹脂またはエポキシ樹脂を用いて、公知の方法により球面体の表面を被覆すればよい。

また、球面体の表面の少なくとも一部に収容部を備え、収容部内に腐食性液体が入っているフラックボールを得るには、例えば、ポリエチレンテレフタレートまたは環状オレフィンコポリマーを用いて収容部を形成し、腐食性液体としてアルカリ性の液体を収容した後、公知の方法により球面体の表面に装着すればよい。

１：フラックボール
２：ボール係止部
３：筒状体
４：表層部
５：内部
６：一方の球面
７：他方の球面
８：溝
９：穴
10：掘進用筒状部材
11：樹脂層
12：収容部

Claims

セラミックスからなる略球面体であり、該球面体の少なくとも一部に破砕容易部を備えていることを特徴とするフラックボール。
前記球面体が中空体からなり、中空部が前記破砕容易部であることを特徴とする請求項１に記載のフラックボール。
前記球面体は、表層部における気孔率と内部における気孔率とが異なっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフラックボール。
前記球面体の中点を対称として、一方の半球における気孔率と、他方の半球における気孔率が異なっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフラックボール。
前記球面体の表面の少なくとも一部に、溝を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のフラックボール。
前記球面体の表面の少なくとも一部に、穴を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のフラックボール。
前記球面体の表面の少なくとも一部に、樹脂層を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のフラックボール。
前記球面体の表面の少なくとも一部に収容部を備え、該収容部内に腐食性液体が入っていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のフラックボール。
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のフラックボールとボール係止部とが、筒状体内に配置されていることを特徴とする掘進装置用筒状部材。