JP3118490B2 - セラミック焼結体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉粒体を扱う機器に用
いられる耐摩耗性セラミック、特にアルミナ系焼結体に
関するものであり、例えば、粉粒体の分散流体を発生さ
せるブラスト機やポンプのインペラー、粉粒体の噴射用
ノズル，輸送管やホッパーのライニング材、或いは各種
粉粒体の粉砕機用メディアやレンガ等に利用されるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】過酷な摩耗条件の一つである石碑等の字
彫りや溶接部のバリ取り用のサンドブラストノズルやホ
ーニング用ガンノズルは、金属ショットの他、アルミナ
や炭化珪素等の研磨材を空気等の媒体に分散させて、５
〜１０Kg／cm²の高圧下に噴射される。被加工物にもま
してノズル自身が激しく摩耗し頻繁に取り替えられるの
である。これらのノズルの材質は、硬質の特殊鋼や硬質
磁器が用いられてきたが、近年は汎用セラミックである
アルミナが多く用いられるようになり、さらにはより硬
いＢ₄Ｃ等のカーバイドも使用されている。しかしカー
バイドは高価であり、安価なアルミナ材の一層の性能向
上が求められている。

【０００３】従来の耐摩耗アルミナ焼結体は大体におい
て、Ａl₂Ｏ₃純度９０〜９９％、相対密度９０〜９４
％、粒径が平均２〜１０μｍで５〜１０μｍ又はそれ以
上の粗大粒を含むことが多く、耐摩耗性が不十分であっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、焼結
密度、焼結粒径その他を制御し、粉粒体用の耐摩耗性に
優れたアルミナ系セラミック焼結体を安価に得るように
したものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、安定
化剤を含むＺrO₂ が５〜３０重量％とＡl₂Ｏ₃ が７０〜
９５重量％とから成り、相対密度が９２％以上、粒子径
が平均３μｍ以下で最大粒子径が８μｍ以下、ビッカー
ス硬さが1500以上、及びＺrO₂ の単斜相が１０％以下で
あって、安定化剤として２〜６モル％のＹ ₂ Ｏ ₃ を添加
すると共に、1600〜1750℃の温度範囲で焼成することに
よって、単斜相を除いたＺrO ₂ 結晶相中に１０〜７０％
の立方相を生成した構成としている。

【０００６】原料のＡl₂Ｏ₃とＺrＯ₂は純度９９％程度
以上、平均粒径0.1〜１乃至２μｍ位の入手し易い市販
粉末を使用できる。ＺrＯ₂は５〜３０重量％、Ａl₂Ｏ₃
が７０〜９５重量％が適切である。ＺrＯ₂が５重量％以
下では粒成長抑制効果が不十分であり、またＺrＯ₂がＡ
l₂Ｏ₃より軟らかいためＺrＯ₂を３０重量％以上とすれ
ば硬度が低下して好ましくないのである。

【０００７】また、ＺrO₂ の安定化剤としてはＹ ₂ Ｏ
₃ 、ＣaO、ＭgO、ＣeO ₂ その他希土類金属の酸化物等が
周知であるが、立方相を生成させるためには、Ｙ ₂ Ｏ ₃
が適しており、Ｙ ₂ Ｏ ₃ は単独で添加するか、或いは予
めＺrO ₂ と合成して添加する。合成した場合は元原料同
様の平均粒径に粉砕して用いればよい。又、Ｙ ₂ Ｏ ₃ の
添加量は、２モル％未満では単斜相を生じ易く、６モル
％超過では焼結粒が粗大化して（即ち最大粒子径が過大
となって）、焼結体の硬度及び強度が低下するため、２
〜６モル％の範囲が適切である。

【０００８】成形は、用途及び形状に応じて一般的な粉
体成形法を用いればよい。サンドブラスト等用のノズル
形状は、原料を顆粒として一軸プレスやラバープレス、
又は熱可塑性樹脂と混練して射出成形する。輸送管や粉
砕機のライニング材等の板やレンガ形状はプレス法や、
練土を調製して押出し成形する。ポンプのインペラー等
の複雑形状は射出法や、スリラーを調製して鋳込み成形
する。粉砕機用のメディアのボール等はラバープレスや
転動造粒すればよい。

【０００９】その焼成は、射出成形体のように多くの樹
脂を含む場合は予め脱脂後、その他は普通は直接に昇温
する。 又、焼成温度としては、1500℃未満では焼結が不
十分で緻密化せず、1800℃超過では焼結粒が粗大化して
焼結体の硬度及び強度が低下するため、1500℃〜1800℃
の範囲が好ましく、1600℃未満では立方相の生成量が不
足し、1750℃超過では正方相が単斜相に転移し易く単斜
相の生成量が増加するため、1600℃〜1750℃の範囲がよ
り好ましい。

【００１０】焼結体としては、相対密度が９２％以上、
ビッカース硬さが1500以上、粒径が平均３μｍ以下で最
大粒径が８μｍ以下であることが必要である。９２％以
下の密度では焼結不足であり、焼結粒の結合が弱くて粉
粒体の衝突で容易に剥離する。焼結粒は微細なほど硬
度、強度が高くて有利であり、実験によって平均３μｍ
以下で最大粒径が８μｍ以下が適当であった。ＺrＯ₂粒
は粒径が大きいと単斜相になり易く、この点でも微細な
方がよいが好ましくは２μｍ以下がよい。

【００１１】ＺrO₂ 結晶相としては、単斜相は存在して
もよいが少ない方がよい。又、正方相は焼結粒が大きい
と焼成工程における降温時に単斜相に転移し易く、この
時の体積増加のために周辺にマイクロクラックを生じて
強度が低下するとされるため好ましくないのである。硬
度はＡl₂Ｏ₃ よりもＺrO₂ が低いが、中では立方相は高
く、正方相、単斜相と低くなる。この意味で、また上記
からも単斜相は少ない方がよく、１０％以下が適当であ
る。また立方相は硬度の点においては多いほど有利であ
るが、２〜６モル％のＹ ₂ Ｏ ₃ を添加すると共に、1600
〜1750℃の温度範囲で焼成することによって、単斜相を
除いたＺrO ₂ 結晶相中に１０〜７０％の立方相を生成し
たものが、耐摩耗性の点で優れていることが確認され
た。

【００１２】

【作用】ＺrＯ₂により粒成長抑制効果が良好であると共
に、ＺrＯ₂の単斜相が少なく、ビッカース硬さが1500以
上及び相対密度が９２％以上となる焼結で、粒径が平均
３μｍ以下で最大粒径が８μｍ以下の微細なため、且つ
ＺrＯ₂の単斜相が１０％以下と少なくすることで高硬
度、高強度な焼結体となるのである。

【００１３】

【実施例】純度９９．９％、平均粒子径0.5μｍのＡl₂
Ｏ₃を８０重量部と、純度９９．９％、平均粒子径0.3μ
ｍの３モル％Ｙ₂Ｏ₃固溶ＺrＯ₂を２０重量部に結合剤等
を添加して混合スラリー化した。スプレードライヤーで
顆粒とし、サンドブラストノズル形状に成形し、1650゜
Ｃ及び1700゜Ｃで焼成して長さ６２mm、ノズル穴径2.4m
mの焼結体を得た。また、同様に４モル％Ｙ₂Ｏ₃固溶Ｚr
Ｏ₂も用い1650゜Ｃ及び1700゜Ｃで焼成して同様のノズ
ルを得た。

【００１４】各実施例のノズルをサンドブラスト装置の
噴射ホースにセットし、＃４０のＳiＣ砥粒を空気圧７K
g／cm²で１５分間噴射し、摩耗容積を測定した。その焼
結状態及び摩耗結果を、９７％Ａl₂Ｏ₃の同形状の従来
ノズルと比較して表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】表１から明らかなように、本発明実施例の
焼結体は比較品に比べて４３〜６１％の摩耗量であり、
良好な耐摩耗性を示したのである。

【００１７】

【発明の効果】本発明は、安定化剤として２〜６モル％
のＹ ₂ Ｏ ₃ を添加すると共に、1600〜1750℃の温度範囲
で焼成することによって、単斜相を除いたＺrO ₂ 結晶相
中に１０〜７０％の立方相を生成したので、立方相はＺ
rO ₂ の結晶相中最も硬く、而もその生成量が適正な範囲
内に制御されているため、従来のアルミナ系焼結体に比
べ、耐摩耗性の点で極めて優れており、従って、高硬度
の粉粒体を扱うために過酷な使用条件に耐えなければな
らない機器に使用する耐摩耗部材として適用することが
出来る。 又、ＺrO₂ により粒成長抑制効果が良好である
と共に、ＺrO₂ の単斜相が少なく、ビッカース硬さが15
00以上及び相対密度が９２％以上となる焼結で、粒径が
平均３μｍ以下で最大粒径が８μｍ以下の微細なため、
且つＺrO₂ の単斜相が１０％以下とする制御によって高
硬度、高強度な焼結体となるのである。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−223159（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−21963（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−265563（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−12356（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 安定化剤を含むＺrO₂ が５〜３０重量％
   とＡl₂Ｏ₃ が７０〜９５重量％とから成り、相対密度が
   ９２％以上、粒子径が平均３μｍ以下で最大粒子径が８
   μｍ以下、ビッカース硬さが1500以上、及びＺrO₂ の単
   斜相が１０％以下である耐摩耗セラミック焼結体であっ
   て、安定化剤として２〜６モル％のＹ ₂ Ｏ ₃ を添加する
   と共に、1600〜1750℃の温度範囲で焼成することによっ
   て、単斜相を除いたＺrO ₂ 結晶相中に１０〜７０％の立
   方相を生成したことを特徴とする粉粒体用の耐摩耗セラ
   ミック焼結体。