JP2022119253A

JP2022119253A - ショットブラスト用研掃材

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Publication number: JP2022119253A
Application number: JP2021016228A
Authority: JP
Inventors: 哲栗田; Toru Kurita; 優典加藤; Masanori Kato
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd; Dowa IP Creation Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd; Dowa IP Creation Co Ltd
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-08-17
Also published as: CN114851094A; CN114851094B

Abstract

【課題】処理対象物の表面仕上げをミクロンレベルまで均一化することが可能で、また耐久性の高いショットブラスト用研掃材を提供する。【解決手段】ショットブラスト用研掃材は、見掛密度が３．０ｇ／ｃｍ３以上４．０ｇ／ｃｍ３以下であり、ＢＥＴ比表面積が０．１０ｍ２／ｇ以上０．５０ｍ２／ｇ以下である。ここで、ビッカース硬度は２５０ＨＶ以上３００ＨＶ以下であってもよい。また前記研掃材における金属鉄の含有量は９４質量％以上９７質量％以下の範囲であってもよい。前記研掃材における炭素の含有量は０．００２質量％以上０．１０質量％以下の範囲であってもよい。【選択図】なし

Description

本発明はショットブラスト用研掃材に関するものである。

表面処理のひとつの手法であるブラスト処理（研磨、洗浄）は、球状や砥粒状のブラスト材（金属やセラミックスなど）をエアブラスト方式（圧縮空気）やインペラー方式（遠心力投射）などを用い、処理対象物へ高速で材料を吹き付け、その表面を改質させる技術である。ブラスト処理の目的は多岐にわたり、脱錆、素地の清浄化、活性化、粗面化、ピーニング効果などがある。ブラスト材の種類（研掃材）にはスチールショットと呼ばれる球状の鋼球であるショットブラスト、鋭角部を多く持つ粒のグリッドブラストなどがある。

特許文献１には、見掛密度が所定範囲の還元鉄粉を表面仕上げ用のショットブラスト材として用いることによって、適度な研磨力を持ちつつ表面仕上げの処理むらを生じさせないようにすることが提案されている。

特開２０１６－６９７０８号公報

近年、ショットブラスト処理によるアルミニウム基板等の処理対象物の表面仕上げ（例えば粗面化）において従来よりも更に処理むらをなくすことが要求されている。具体的には処理対象物の表面粗さ（Ｒａ）をミクロンレベルまで均一化することが求められている。また研掃材の耐久性の一層の向上も求められている。

そこで本発明の目的は、処理対象物の表面仕上げをミクロンレベルまで均一化することが可能で、また耐久性の高いショットブラスト用研掃材を提供することにある。

前記目的を達成する本発明に係るショットブラスト用研掃材は、見掛密度が３．０ｇ／ｃｍ^３以上４．０ｇ／ｃｍ^３以下であり、ＢＥＴ比表面積が０．１０ｍ^２／ｇ以上０．５０ｍ^２／ｇ以下であることを特徴とする。

見掛密度が前記範囲であることによって所望の研磨力が発揮されるとともに表面仕上げの均一化が発揮される。またＢＥＴ比表面積が前記範囲であることによってショットブラスト処理による衝撃時の応力が均等化され表面仕上げが均一化するとともに、ショットブラスト処理による研掃材の微粉発生が抑えられ耐久性が向上する。

前記構成のショットブラスト用研掃材において、ビッカース硬度が２５０ＨＶ以上３００ＨＶ以下の範囲であるのが好ましい。

前記構成のショットブラスト用研掃材において、前記研掃材における金属鉄の含有量が９４質量％以上９７質量％以下の範囲であるのが好ましい。

前記構成のショットブラスト用研掃材において、前記研掃材における炭素の含有量が０．００２質量％以上０．１０質量％以下の範囲であるのが好ましい。

なお、本明細書における「見掛密度」、「ＢＥＴ比表面積」、「ビッカース硬度」、「金属鉄の含有量」、「炭素の含有量」、「体積平均粒径」は後述の実施例で説明する測定方法によって得られる値である。

本発明に係るショットブラスト用研掃材によれば、処理対象物の表面仕上げをミクロンレベルまで均一化することが可能となる。また、優れた耐久性が得られる。

実施例１の研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）である。実施例４の研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）である。比較例１の研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）である。比較例２の研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）である。

本発明に係るショットブラスト用研掃材（以下、単に「研掃材」と記すことがある。）の大きな特徴の一つは、見掛密度が３．０ｇ／ｃｍ^３以上４．０ｇ／ｃｍ^３以下であることである。研掃材の見掛密度が３．０ｇ／ｃｍ^３未満であるとショットブラスト処理時に処理対象物表面での衝突応力の大きさにばらつきが生じ処理むらの原因となる。また使用によって研掃材に割れや欠けが発生し耐久性が低くなる。一方、研掃材の見掛密度が４．０ｇ／ｃｍ^３を超えると研掃材の生産性や歩留まりが著しく悪化する。研掃材の見掛密度のより好ましい範囲は３．３ｇ／ｃｍ^３以上３．７ｇ／ｃｍ^３以下の範囲である。

また本発明に係る研掃材のもう一つの特徴は、ＢＥＴ比表面積が０．１０ｍ^２／ｇ以上０．５０ｍ^２／ｇ以下であることである。研掃材のＢＥＴ比表面積が０．１０ｍ^２／ｇ未満であると処理対象物表面での衝突応力の大きさにばらつきが生じ処理むらの原因となる。一方、研掃材のＢＥＴ比表面積が０．５０ｍ^２／ｇを超えると研掃材に割れや欠けが発生しやすくなる。研掃材のＢＥＴ比表面積のより好ましい範囲は０．１５ｍ^２／ｇ以上０．３０ｍ^２／ｇ以下の範囲である。

本発明に係る研掃材のビッカース硬度は２５０ＨＶ以上３００ＨＶ以下の範囲が好ましい。研掃材のビッカース硬度が２５０ＨＶ未満であると、ショットブラスト処理時に処理対象物表面での衝突応力の大きさがばらつき処理むらが生じる虞がある。また使用によって研掃材に割れや欠けが発生する虞もある。一方、研掃材のビッカース硬度が３００ＨＶを超えると、処理対象物の表面粗さが大きくなり処理むらの原因となる虞がある。研掃材のビッカース硬度のより好ましい範囲は２６０ＨＶ以上２８０ＨＶ以下の範囲である。

本発明に係る研掃材の金属鉄の含有量は９４質量％以上９７質量％以下の範囲が好ましい。研掃材の金属鉄の含有量が上記範囲であることで研掃材の高耐久性と処理むら抑制が達成される。

本発明に係る研掃材の炭素の含有量は０．００２質量％以上０．１０質量％以下の範囲が好ましい。研掃材の炭素の含有量が上記範囲であることで研掃材の高耐久性と処理むら抑制が達成される。研掃材の炭素の含有量のより好ましい範囲は０．０１質量％以上０．１０質量％以下の範囲である。

本発明に係る研掃材の体積平均粒径Ｄ_５０は１２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲が好ましい。より好ましい研掃材の体積平均粒径Ｄ_５０の範囲は１２５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲である。

本発明に係る研掃材を用いたショットブラスト処理の対象物の素材としては金属やセラミックス、ガラス、プラスチック、ゴムなどが挙げられる。これらの素材の中でも本発明の研掃材は金属素材に対して好適に使用され、アルミニウム及びアルミニウム合金に対してより好適に使用される。

本発明に係る研掃材の材質は、見掛密度およびＢＥＴ比表面積が本発明の規定範囲を満足する限りにおいて特に限定は無いが、ミルスケールなどの酸化鉄を還元して作製される海綿鉄粉が好適である。海綿鉄粉からなる研掃材は例えば次のようにして作製される。

（研掃材の製造方法）
本発明に係る研掃材の製造方法に特に限定はないが以下に説明する製造方法が好ましい。

まず、製鉄所の熱間圧延工程で生じるミルスケールなどの不純物の少ない酸化鉄を還元剤と共にトンネル炉などの焼成炉に導入し還元処理して海綿鉄ケーキを得る。還元処理の方法としては、特開昭６１－１８３４０２、特開２００５－２６４３０２、特開２００４－６００００などに記載の公知の方法を採用することができる。還元剤としてはコークス粉、石炭などの炭素材が使用可能である。

次に、得られた海綿鉄ケーキを解砕した後に粉砕して粒径５００μｍ以下の海綿鉄粉を得る。解砕処理および粉砕処理は公知の装置ならびに方法を用いることができる。得られた海綿鉄粉を篩い分けし、粒径３００μｍ超、１８０μｍ未満のものを除去して研掃材の第１原料粉とする。

また、第１原料粉と同様の方法によって海綿鉄ケーキを得た後、海綿鉄ケーキを解砕、粉砕し篩分けして粒径３００μｍ超の海綿鉄粉を得る。これを第２原料粉とする。粒径３００μｍ超は篩目で３００μｍの篩上残粉である。

なお、第２原料粉は粒径３００μｍ超であればよいが、最大粒径は５００μｍとするのが好ましい。第２原料粉の粒径があまりに大きいと研掃材としたときの研磨力に影響するからである。第２原料粉の最大径および混合量を調整することで研掃材のＢＥＴ比表面積の調整が可能となる。また研掃材のＢＥＴ比表面積は、後述の粉砕処理、研磨処理の時間や強度によっても調整可能である。

また第２原料粉は、第１原料粉の破砕処理で発生する粗粒側から分取してもよい。複数回におよび同様の操作を繰り返す場合は、前回の第１原料粉の破砕処理にて発生した粗粒側から分取してもよい。例えば、処理の単位をロット管理にて行う場合は、前回または前々回などのロットにて分取した第２原料粉を用いる。第２原料粉は篩分けをすることで粒径３００μｍ超を分取でき、添加量に応じて複数のロットの第２原料粉を混合しても用いてもよい。

次に、第１原料粉と第２原料粉とを、第１原料粉に対して第２原料粉が２０質量％～３５質量％となるように混合して研掃材用原料とする。第２原料粉の混合割合によって、作製される研掃材のＢＥＴ比表面積は調整される。

この研掃材用原料をノボローターミルで粉砕処理と研磨処理とを同時に行う。従来のハンマーミルを用いた粉砕処理の場合は粉砕の衝撃が大きく、研掃材用原料（鉄粉）表面の海面状構造が崩れて粒度が小さくなる傾向が見られた。これに対して、ノボローターミルによる処理ではローターを回転させて原料粒子同士の接触による研磨が行われるため、粒度が小さくなることが抑制されるとともに見掛密度を高くすることが可能となる。また必要に応じてノボローターミルに所望の目開きのスクリーンを装着することで、ノボローターミル内部の含塵濃度を調整することができ効率のよい粉砕処理が可能となる。

また従来の方法（特開２０１６－６９７０８に開示）では、１種類の粒度の原料のみ（２００μｍ～３００μｍ）を使用していたので原料が粉砕されやすく、粉砕処理における微粉（例えば粒径１０６μｍ以下）の発生量が多く生産性が悪かった。これに対して、第１原料粉に第１原料粉よりも粗粒の第２原料粉を混合して使用するこの製造方法では、原料粉（鉄粉）の海面状構造が崩れにくくなって、高い見掛密度と所望のＢＥＴ比表面積とを有する研掃材が効率的に製造することが可能である。

なお、従来の１種類の粒度の原料を使用する場合、あるいは第１原料粉よりも微粒の第２原料粉を混合して使用する場合であっても、例えば粉砕装置としてカッターミルを使用することによって原料粒子表面の研磨が可能となり、ノボローターミルよりも粉砕強度が弱いため、原料の粒度が小さくなるのを抑制しながら見掛密度を高くすることが可能となる。

ノボローターミルによる粉砕処理及び研磨処理は、処理後の研掃材の見掛密度を測定して所望の見掛密度になるまで繰り返し行ってもよい。また処理後に、使用目的等に応じて必要により篩やサイクロン等を用いて研掃材の粒度分布を調整してもよい。例えば粒径が１８０μｍ以上４２５μｍ以下、１５０μｍ以上３００μｍ以下、１２５μｍ以上２５０μｍ以下、１０６μｍ以上１８０μｍ以下、７５μｍ以上１５０μｍ以下などに粒度調整してもよい。また粉砕処理と研磨処理とは別の処理装置で実施しても構わない。

実施例１
（第１原料粉の作製）
原料としてのミルスケール（酸化鉄）をロータリードライヤーで１２０℃で乾燥させた後に、還元剤としての無煙炭を添加混合した。この無煙炭は、固定炭素が８０～９０％、サイズが４ｍｍ以下のものを用いた。このミルスケールと無煙炭との混合物とは別に、固定炭素が５０～９０％のコークス粉を準備した。

炭化ケイ素製の耐熱容器にミルスケールと無煙炭との混合物を円筒状に充填し、その中心と外側にコークス粉を充填した。そして耐熱容器をトンネルキルン炉にて１０５０℃～１２５０℃の温度範囲で大気雰囲気中で還元処理し海綿鉄ケーキを得た。

上記還元処理により得られた海綿鉄ケーキを下記の順で粉砕し第１原料粉を得た。
（１）ロールクラッシャーよって粒度約３０ｃｍ以下まで粗破砕
（２）ハンマークラッシャーによって粒度約４ｃｍ以下まで微破砕
（３）ハンマーミルによって粒度約４ｍｍ以下まで粗粉砕
（４）ノボローターミルによって粒度５００μｍ以下まで微粉砕
（５）篩い分けによって粒径３００μｍ超、１８０μｍ未満のものを除去

（第２原料粉の作製）
第１原料粉と同様にして、海綿鉄ケーキを得た後、海綿鉄ケーキを破砕、粉砕して粒径３００μｍ超の第２原料粉を得た。

（研掃材用原料の作製）
第１原料粉に対して第２原料粉を２５質量％加えて研掃材用原料を作製した。

（粉砕処理および研磨処理）
作製した研掃材用原料をノボローターミルによって粉砕処理と研磨処理とを同時に行った。そして所定時間の処理後の研掃材原料の見掛密度を測定して見掛密度が３．０ｇ／ｃｍ^３～４．０ｇ／ｃｍ^３の範囲になるまで繰り返し行った。
上記研掃材の見掛密度調整品に対し、分級点１０μｍのサイクロンにて分級処理を実施した後に、振動篩によって粒径１８０μｍ以上を除去して実施例１に係る研掃材を得た。得られた研掃材の組成及び粉体特性を下記方法によって測定した。測定結果を表１に示す。また図１に研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）を示す。

（組成分析）
（全鉄（Ｔ．Ｆｅ））
ＪＩＳＭ８２１２に準じて全鉄量（Ｔ．Ｆｅ）を測定した。

（金属鉄（Ｍ．Ｆｅ））
試料中の金属鉄量の測定は、ＪＩＳＭ８７１３－１９９３「鉄鉱石類の還元試験方法」の解説参考６．１金属鉄定量方法に準拠して、試料を臭素－メタノール溶液中で撹拌し、金属鉄を抽出・溶解し、電位差自動滴定装置を用いてキレートで滴定する方法で行った。

（炭素（Ｃ），硫黄（Ｓ））
炭素と硫黄は、炭素・硫黄分析装置（ＬＥＣＯ製ＣＳ－７４４）を用いて算出した。

（酸素（Ｏ））
試料中の酸素は、酸素・窒素分析装置（ＬＥＣＯ製ＴＣＨ６００）を用いて算出した。

（見掛密度）
研掃材の見掛密度は、「ＪＩＳＺ２５０４」の金属粉の見掛密度試験方法の手順に従って測定した。

（ＢＥＴ比表面積）
研掃材のＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ一点法比表面積測定装置（株式会社マウンテック製、型式：ＭａｃｓｏｒｂＨＭｍｏｄｅｌ－１２０８）を用いて測定した。具体的には、サンプルは、５．０００ｇを秤量して直径１２ｍｍの標準セルに充填し、２００℃で、３０分間脱気して測定を行った。

（粒度分布：篩分け）
研掃材の粒度分布は、ＪＩＳＺ８８１５に定められた方法を用いて篩分けすることによって測定した。なお、粒度は篩の目開きによって定まる。

（粒度分布：レーザー回折式粒度分布測定装置ＭＴ）
研掃材の粒度分布（Ｄ_１０，Ｄ_５０，Ｄ_９０）は、レーザー回折式粒度分布測定装置ＭＴ（日機装社製「マイクロトラックＭｏｄｅｌ９３２０－Ｘ１００」）を用いて測定した。測定については、体積基準で、累積１０％の粒径Ｄ_１０（μｍ）、累積５０％の平均粒径Ｄ_５０（μｍ）、累積９０％の粒径Ｄ_９０の値を得た。

（ビッカース硬度）
研掃材のビッカース硬度測定は、樹脂中に研掃材を添加して硬化させ、回転研磨機を用いて表面を研磨、断面を析出させた後、ナノインデンター（エリオニクス製「ＥＮＴ１１００－ｂ」を用いた。ナノインデンターの測定条件としては、負荷－除荷試験モードで、常温、２５ｍｍＮの荷重とした。

（真密度）
真密度測定装置（ＭＩＣＲＯＭＥＲＩＴＩＣＳ社製アキュピックＩＩ１３４０シリーズ）を用いて測定した。

（処理むら評価）
ショットブラスト試験機（エアーブラスト方式）を用いてエアー圧力０．２８ＭＰａで処理対象物（アルミニウム基板；Ａ６０６３）に研掃材を投射量約１７ｇ／ｓｅｃで投射した。ショットブラスト後の処理対象物の表面粗さ（算術平均高さＲａ、二乗平均平方根高さＲｑ、最大高さＲｚ）の平均値Ａｖｇを測定すると共に変動係数ＣＶを算出した。変動係数が小さいほど処理むらが少ないと評価する。

（耐久性評価）
アービンテストマシン（ＥＲＶＩＮ社製）を用いてインペラー回転数５０００ｒｐｍで研掃材を炭素鋼に５００回衝突させた。そして、衝突後の研掃材の粒度分布を測定し、粒径１０６μｍ以下の微粉の増加割合を下記式（１）から算出した。アービンテスト後の微粉の増加割合が少ないほど耐久性のある研掃材と評価する。
粒径１０６μｍ以下の微粉の増加割合（ｗｔ％）＝（Ｂ－Ａ）／Ａ×１００・・・（１）
Ａ：耐久性評価前の粒径１０６μｍ以下の質量割合
Ｂ：耐久性評価後の粒径１０６μｍ以下の質量割合

実施例２
第１原料粉のみを使用し、粉砕処理および研磨処理において、装置をカッターミル方式に変更した事以外は、実施例１と同様に研掃材を作製した。作製した研掃材の組成及び粉体特性を実施例１と同様にして測定した。測定結果を表１に示す。また図２に研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）を示す。

実施例３
第１原料粉を目開き２１７μｍの篩を用いて篩分け、粒径２１７μｍ以下のものを原料粉とした以外は実施例４と同様に研掃材を作製した。作製した研掃材の組成及び粉体特性を実施例１と同様にして測定した。測定結果を表１に示す。

比較例１
実施例１と同様にして第１原料粉に対して第２原料粉を２５質量％加えて研掃材用原料とした。そして、粉砕処理および研磨処理を行わずに、振動篩によって上記研掃材原料から粒径１８０μｍ以上を除去して研掃材とした。この研掃材の組成及び粉体特性を実施例１と同様にして測定した。測定結果を表１に示す。また図３に研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）を示す。

比較例２
（第１原料粉の作製）
原料としてのミルスケール（酸化鉄）をロータリードライヤーで１２０℃で乾燥させた後に、還元剤としての無煙炭を添加混合した。この無煙炭は、固定炭素が８０～９０％、サイズが４ｍｍ以下のものを用いた。このミルスケールと無煙炭との混合物とは別に、固定炭素が５０～９０％のコークス粉を準備した。

炭化ケイ素製の耐熱容器にミルスケールと無煙炭との混合物を円筒状に充填し、その中心と外側にコークス粉を充填した。そして耐熱容器をトンネルキルン炉にて１０５０℃～１２５０℃の温度範囲で大気雰囲気中で一次還元処理しで一次還元海綿鉄ケーキを得た。

上記一次還元処理により得られた海綿鉄ケーキを、ベルト炉を使用し、雰囲気制御としてアンモニア分解ガスを用い、９００℃の条件で二次還元処理し二次還元海綿鉄ケーキを得た。次に、この二次還元海綿鉄ケーキをハンマーミルで解粒し第１原料粉とした。

このように作製した第１原料粉を研掃材用原料とした。そして、粉砕処理および研磨処理を行わずに、振動篩によって上記研掃材原料から粒径１８０μｍ以上を除去して研掃材とした。この研掃材の組成及び粉体特性を実施例１と同様にして測定した。測定結果を表１に示す。また図４に研掃材のＳＥＭ写真（倍率２００倍）を示す。

表１から明らかなように、見掛密度が３．４３ｇ／ｃｍ^３～３．６３ｇ／ｃｍ^３、ＢＥＴ比表面積が０．１７ｍ^２／ｇ～０．２３ｍ^２／ｇと本発明の規定範囲内である実施例１～３の研掃材は、見掛密度が２．６４ｇ／ｃｍ^３と本発明の規定範囲よりも小さい比較例１の研掃材および見掛密度が２．６１ｇ／ｃｍ^３、ＢＥＴ比表面積が０．０９ｍ^２／ｇと本発明の規定範囲よりもいずれも小さい比較例２の研掃材に比べて、処理対象物の表面粗さ（算術平均高さＲａ、二乗平均平方根高さＲｑ、最大高さＲａ）の変動係数ＣＶは格段に小さかった。すなわち実施例１～３の研掃材は比較例１，２の研掃材に比べて処理むらは小さかった。

また実施例１～３の研掃材は比較例１，２の研掃材に比べてアービンテスト後の粒径１０６μｍ以下の微粉の増加割合が少なく耐久性に優れていた。

本発明に係るショットブラスト用研掃材によれば、処理対象物の表面仕上げをミクロンレベルまで均一化することが可能となり、また優れた耐久性が得られる。

また従来の方法（特開２０１６－６９７０８に開示）では、１種類の粒度の原料のみ（２００μｍ～３００μｍ）を使用していたので原料が粉砕されやすく、粉砕処理における微粉（例えば粒径１０６μｍ以下）の発生量が多く生産性が悪かった。これに対して、第１原料粉に第１原料粉よりも粗粒の第２原料粉を混合して使用するこの製造方法では、原料粉（鉄粉）の海綿状構造が崩れにくくなって、高い見掛密度と所望のＢＥＴ比表面積とを有する研掃材が効率的に製造することが可能である。

Claims

ショットブラスト処理に用いる研掃材であって、
見掛密度が３．０ｇ／ｃｍ^３以上４．０ｇ／ｃｍ^３以下であり、
ＢＥＴ比表面積が０．１０ｍ^２／ｇ以上０．５０ｍ^２／ｇ以下である
ことを特徴とするショットブラスト用研掃材。
ビッカース硬度が２５０ＨＶ以上３００ＨＶ以下の範囲である請求項１記載のショットブラスト用研掃材。
前記研掃材における金属鉄の含有量が９４質量％以上９７質量％以下の範囲である請求項１又は２記載のショットブラスト用研掃材。
前記研掃材における炭素の含有量が０．００２質量％以上０．１０質量％以下の範囲である請求項１～３のいずれかに記載のショットブラスト用研掃材。