JP3450045B2 - 耐摩耗性アルミナ焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミナ含有率が９０
〜９５重量％と比較的低純度のアルミナ焼結体であっ
て、低温焼成が可能で、且つ耐摩耗性に優れるアルミナ
焼結体及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アルミナ焼結体は耐熱性、耐
食性、絶縁性、機械的強度、ならび耐摩耗性に優れた材
質であることから電子部品材料や産機部品材料、あるい
は構造材料など各種工業材料として幅広く利用されてい
る。例えば、産機部品材料として、固体輸送経路におけ
るシュートやダクトなどの内張り材や粉砕機用部材、あ
るいは軸受部材やメカニカルシール、さらには糸道、定
盤、治工具などに使用されている。

【０００３】このような用途に使用されるアルミナ焼結
体は、主原料のＡｌ₂ Ｏ₃ に対し、添加剤としてＣａ
Ｏ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂ のうち一種または二種以上を添加
したものが最も多く用いられており、さらにアルミナ焼
結体の耐摩耗性を高めるために、アルカリ金属、アルカ
リ土類金属、遷移金属、あるいは希土類からなる酸化物
等の添加剤を適宜選択して添加したものが提案されてい
る。

【０００４】例えば、特開昭５６−１７９８０号公報に
は、添加剤としてＹ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＮｉＯを
添加し、ホットプレスにより焼成した耐摩耗性を有する
アルミナ磁器が開示されている。

【０００５】また、特公平４−１３３１３号公報には、
ＴｉＯ₂ 、ＣｕＯ、Ｆｅ₂ Ｏ₃ 、ＭｎＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、
ＳｉＯ₂ 等の添加剤を５種類以上添加した耐摩耗性に優
れるアルミナ焼結体が開示されている。

【０００６】さらに、特公昭６２−６０３７号公報に
は、添加剤としてＭｇＯ、Ｂ₂ Ｏ₃ を添加したアルミナ
純度９８〜９９．５％の高純度アルミナ焼結体からなる
抄紙機用支持部材が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開昭５６
−１７９８０号公報に開示されているアルミナ磁器は、
添加剤に高価なＹ₂ Ｏ₃ を添加する必要があり、原料費
が高くついてしまうという問題や、焼成工程ではホット
プレスを用いなければならないことから特殊な焼成装置
が必要となるなどの問題があった。

【０００８】また、特公平４−１３３１３号公報に開示
されているアルミナ焼結体は、５種類以上もの添加剤を
添加しなければならず、調合作業が大変であった。

【０００９】さらに、特公昭６２−６０３７号公報に開
示されているような高純度のアルミナ焼結体では、主原
料に高純度のアルミナ粉末が必要となるため、非常に高
価なものとなってしまうはかりか、アルミナ純度が高い
ことから完全に焼結させるためには１６００℃以上の温
度で焼成しなければならず、その結果、アルミナ粒子の
成長が促進され、満足のいく耐摩耗性を得ることは難し
いものであった。しかも、焼成温度が高いことから、炉
壁材やサヤ等の高温による耐久性の低下や、消費電力が
大きいなどの問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は上記
問題に鑑みて種々実験を繰り返した結果、主原料に易焼
結性アルミナ粉末を用い、添加剤として少なくともＳｉ
Ｏ₂ 、ＭｇＯ、Ｂ₂ Ｏ₃ の三種類の酸化物をそれぞれ所
定の範囲で添加することにより、比較的低いアルミナ純
度でも、高硬度で耐摩耗性に優れたアルミナ焼結体が得
られることを見出したのである。

【００１１】即ち、本発明に係るアルミナ焼結体は、主
原料として平均粒子径１μｍ以下で、且つ比表面積５ｍ
² ／ｇ以上の易焼結性アルミナ粉末９０〜９５重量％に
対し、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｂ₂ Ｏ₃ の三種類の添加剤を
ＳｉＯ₂ ３．０〜５．０重量％、ＭｇＯ１．０〜１．５
重量％、Ｂ₂ Ｏ₃ ０．５〜３．５重量％の範囲でそれぞ
れ添加し、粉砕・造粒・成形を行ったあと、焼成温度１
４００〜１５００℃の酸化雰囲気中で焼成することによ
り、焼結体中のアルミナ平均結晶粒子径２〜５μｍで、
且つロックウェル硬度８９ｋｇ／ｍｍ² 以上としたこと
を特徴とする。本発明のアルミナ焼結体を製造するに
は、まず主原料に易焼結性アルミナ粉末を使用すること
が重要である。ここで、易焼結性アルミナ粉末とはアル
ミナ原料を予め仮焼きして高密度にしたアルミナ粉体の
ことである。

【００１２】即ち、易焼結性アルミナ粉末は、既に一度
焼成した粉体であるために硬く、また、微小径で均一な
粒度分布をもっている。しかも、焼成時の粒子成長が遅
いものの、低い温度での焼成でも高い焼結性が得られ
る。

【００１３】その為、この易焼結性アルミナ粉末を用い
て焼成すれば、低い温度で焼成しても緻密質体とするこ
とができ、高硬度を持ったアルミナ焼結体とすることが
できる。

【００１４】また、アルミナ焼結体の耐摩耗性を高める
ためには、焼結体のアルミナ平均粒子径を小さくするこ
とが重要となるが、そのためには、主原料であるアルミ
ナ粒子の粒子径が小さく、且つ均一な粒度分布をもって
いなければならず、特に本発明のアルミナ焼結体を製造
するには、アルミナ粉末の平均粒子径を１μｍ以下で、
且つ比表面積を５ｍ² ／ｇ以上とする。

【００１５】このようにアルミナ粉末の平均粒子径を１
μｍ以下で、且つ比表面積を５ｍ²／ｇ以上とするの
は、平均粒子径が１μｍより大きいと、焼成時のアルミ
ナ粉末の活性度を高めることができず、通常の焼成温度
より低い温度で焼成することが難しくなるとともに、焼
結体のアルミナ粒子径が大きくなり過ぎるため、耐摩耗
性を高めることができないからである。一方、比表面積
が５ｍ² ／ｇ未満であると、アルミナ粒子同士の結合面
積が小さいために結合力が弱く、やはり耐摩耗性を高め
ることができないからである。

【００１６】また、本発明に係るアルミナ焼結体は、ア
ルミナ含有率を９０〜９５重量％と比較的低いアルミナ
含有率とし、添加剤に少なくともＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｂ
₂ Ｏ₃ の三種類を添加する。

【００１７】ここで、アルミナ含有率を９０〜９５重量
％とするのは、アルミナ含有率が９０重量％未満である
と、アルミナの含有量が少なすぎるために硬度を高める
ことができないからである。なお、アルミナ含有率が９
５重量％より多くなると、アルミナ純度が高くなりすぎ
るために焼成温度を下げることができず、その結果、ア
ルミナ粒子の成長を伴い焼結体の耐摩耗性を高めること
ができないばかりか、高純度アルミナとなってしまい、
本発明の主旨に反する。

【００１８】一方、上記添加剤は、アルミナ焼結体の添
加剤として既に公知のものであるが、ある範囲で含有す
れば比較的低純度のアルミナ焼結体であっても高硬度で
耐摩耗性に優れたものとすることができる。

【００１９】即ち、各添加剤のちＳｉＯ₂ を３．０〜
５．０重量％、ＭｇＯを１．０〜１．５重量％、及びＢ
₂ Ｏ₃ を０．５〜３．５重量％の範囲でそれぞれ含有す
ることが重要で、いずれか一つでも範囲からはずれてし
まっては所望の硬度を得ることができない。

【００２０】特に、上記三種類の添加剤の中でも、Ｂ₂
Ｏ₃ は焼成時のアルミナ粒子の成長を抑制する作用が大
きく、焼成温度を下げることができる。その為、Ｂ₂ Ｏ
₃ の含有率が０．５重量％未満であると、含有量が少な
過ぎるために充分なアルミナ粒子の成長を抑制する作用
が得られず、耐摩耗性を高めることができないばかり
か、焼成温度を下げることができない。ただし、Ｂ₂ Ｏ
₃ の含有率が３．５重量％より多いと、アルミナ焼結体
の持つ優れた特性の一つである耐食性が低下するため、
Ｂ₂ Ｏ₃ の含有率は３．５重量％までとする。

【００２１】また、ＳｉＯ₂ およびＭｇＯにはアルミナ
粒子同士を強固に結合させる作用を有しており、さらに
ＳｉＯ₂ にはアルミナ粒子の成長を抑制する作用があ
る。その為、ＳｉＯ₂ の含有率が３．０重量％未満であ
ると、含有量が少な過ぎるためにアルミナ粒子同士を強
固に結合することができず、また、アルミナ粒子の成長
を充分に抑制することができないため、焼結体の硬度を
高めることができず、逆にＳｉＯ₂ の含有率が５．０重
量％より多いと、アルミナの含有率が低下するために、
やはり硬度を高めることができない。また、ＭｇＯの含
有率が１．０重量％未満であるとアルミナ粒子同士の結
合が弱く、逆にＭｇＯの含有率が１．５重量％より大き
いと、アルミナの含有率が低下する。

【００２２】なお、本発明のアルミナ焼結体は、上記３
種類の添加剤以外に他の添加剤、あるいは不純物を含ん
でいてもよいが、合計で１．０重量％以下の範囲で含有
していることが好ましい。

【００２３】ところで、本発明のアルミナ焼結体を焼成
するには、１４００〜１５００℃の温度範囲で焼成を行
う。

【００２４】これは、焼成温度が１５００℃より高い
と、アルミナ粒子の成長を促進してしまうばかりか、添
加剤として添加しているＢ₂ Ｏ₃ が蒸発してしまうため
にアルミナ焼結体の内部に多数の空孔が形成され、緻密
質体とすることができないことから硬度を高めることが
できないためで、逆に、焼成温度が１４００℃未満で
は、充分なアルミナ粒子同士の焼結が得られず、やはり
緻密質体とすることができないからである。

【００２５】また、本発明のアルミナ焼結体は、焼結体
のアルミナ平均結晶粒子径が２〜５μｍ、好ましくは２
〜３μｍの範囲にあり、且つロックウェル硬度が８９ｋ
ｇ／ｍｍ² 以上でなければならなず、いずれか一方でも
範囲外であると本発明が望む耐摩耗性を得ることができ
ない。

【００２６】

【実施例】以下、本発明実施例を具体的に説明する。

【００２７】例えば、主原料として純度９９．９％で、
平均粒子径０．６μｍ、比表面積７ｍ² ／ｇの易焼結性
アルミナ粉末に、焼結助剤としてＳｉＯ₂ を３．０〜
５．０重量％、及びＭｇＯを１．０〜１．５重量％の範
囲で添加するとともに、粒子成長抑制剤としてＢ₂ Ｏ₃
を０．５〜３．５重量％の範囲で添加し、さらに成形の
ための有機バインダーを添加して、ボールミル、アトラ
クションミル、ピンミル、振動ミル等により混練し、ス
プレードライヤーなどにより造粒して２次原料の顆粒を
製作した。次に、この２次原料を８００〜１２００ｋｇ
／ｃｍ² のプレス圧で成形したあと、バッチ炉、電気
炉、トンネル炉等の焼成炉にて焼成温度１４００〜１５
００℃の酸化雰囲気中で焼成した。

【００２８】以上の条件により焼成したアルミナ焼結体
は、見掛け比重３．７以上で、ロックウェル硬度８９ｋ
ｇ／ｍｍ² 以上と高い硬度を備えるとともに、曲げ強度
についても４０〜５０ｋｇ／ｍｍ² と高強度を備えてい
た。

【００２９】〔実験例１〕ここで、本発明実施例に係る
アルミナ焼結体と、比較例として仮焼きしていない従来
のアルミナ粉末に、添加剤としてＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｂ
₂ Ｏ₃ 、ＣａＯを添加し、各添加剤の添加量を変化させ
たアルミナ焼結体を試作して、焼結体中のアルミナ平均
結晶粒子径、ロックウェル硬度、及び曲げ強度について
測定した。なお、比較例のアルミナ焼結体は、主原料に
平均粒子径が２．５〜４．０μｍで、且つ比表面積が
１．０〜２．０ｍ² ／ｇの範囲にある仮焼きしていない
アルミナ粉末を用い、このアルミナ粉末に上記添加剤を
それぞれ添加し、さらに有機バインダーとともに混練乾
燥して顆粒を製作し、この顆粒を８００〜１２００ｋｇ
／ｃｍ² 程度のプレス圧で成形したあと、酸化雰囲気中
にて焼成したものである。

【００３０】それぞれの測定結果については、表１に示
す通りである。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１より判るように、試料８のアルミナ焼
結体は、アルミナ含有率が９９％と高いことから、焼成
温度が１６８０℃と非常に高い。しかも、出発原料は易
焼結性アルミナ粉末でないため、焼結体中のアルミナ平
均結晶粒子径は２０μｍと非常に大きく、ロックウェル
硬度も８９ｋｇ／ｍｍ² 未満であった。また、曲げ強度
についても、アルミナ平均結晶粒子径が非常に大きいこ
とから３０ｋｇ／ｃｍ ² と小さいものであった。

【００３３】また、試料５及び試料６のアルミナ焼結体
は、共にＢ₂ Ｏ₃ の含有率が０．５重量％未満であるた
め、焼成温度は１５００℃以上であった。しかも、Ｂ₂
Ｏ₃の含有率が０．５重量％未満で有るため、アルミナ
粒子成長の抑制作用が不充分であり、また、出発原料が
易焼結性アルミナ粉末でないため、焼結体中のアルミナ
平均結晶粒子径を５μｍ以下とすることができず、ロッ
クウェル硬度も８９ｋｇ／ｍｍ² 未満であった。

【００３４】なお、試料６のアルミナ焼結体はＢ₂ Ｏ₃
の含有率は０％であるが、試料５のアルミナ焼結体と比
べ差ほど違いが見られないことから、Ｂ₂ Ｏ₃ が０．５
重量％未満ではＢ₂ Ｏ₃ の持つ作用が充分得られていな
いことが判る。

【００３５】さらに、試料７のアルミナ焼結体では、添
加剤であるＢ₂ Ｏ₃ の含有率が０．５〜３．５重量％の
範囲内にあるため、１５００℃以下の温度で焼成するこ
とができた。しかも、Ｂ₂ Ｏ₃ によるアルミナ粒子成長
の抑制作用が充分得られているため、焼結体のアルミナ
平均結晶粒子径は５μｍ程度と均一なものとなってい
た。しかし、出発原料が易焼結性アルミナ粉末でないた
め、ロックウェル硬度は８９ｋｇ／ｍｍ² 未満であっ
た。

【００３６】これに対して、試料１〜４の本発明に係る
アルミナ焼結体は、添加剤であるＳｉＯ₂ が３．０〜
５．０重量％、ＭｇＯが１．０〜１．５重量％、Ｂ₂ Ｏ
₃ が０．５〜３．５重量％とそれぞれ本発明の範囲内に
あり、出発原料に易焼結性アルミナ粉末を用いているた
め、焼成温度が１４２０℃と低温焼成が可能であった。
また、焼結体のアルミナ平均結晶粒子径は２〜３μｍと
微小径で且つ均一なものとなっており、ロックウェル硬
度も８９ｋｇ／ｍｍ² 以上を有していた。しかも、曲げ
強度が４０〜５０ｋｇ／ｃｍ² とアルミナ焼結体として
は高い強度が得られた。

【００３７】〔実験例２〕次に、本発明実施例に係るア
ルミナ焼結体と、比較例のアルミナ焼結体を用いて乾式
及び湿式状態における耐摩耗試験を行った。

【００３８】まず、乾式状態における耐摩耗試験は、多
数のビーズをブラストノズルから噴射してテストピース
に一定時間衝突させた時の摩耗量を測定するサンドブラ
スト法によって測定を行った。

【００３９】この実験に使用したビーズは、平均結晶粒
子径７１０μｍのガラスビーズで、テストピースから５
０ｍｍ離して配置したブラストノズルより上記ガラスビ
ーズを５ｋｇ／ｃｍ² の噴射圧にてテストピースに噴射
・衝突させ、２分おきにその時の摩耗量を測定し、この
作業を８分間行った。ただし、ここで摩耗量とは単位面
積当たりの摩耗量のことであり、その算出方法は下式に
示す通りである。

【００４０】単位面積当たりの摩耗量＝（減少重量(g)
／比重(g/cm³) ）／噴射面積(cm²) ただし、噴射面積は１５cm² である。

【００４１】この実験では、噴射角度をテストピースに
対して４５°と９０°にそれぞれ取って行い、その評価
基準は、噴射角度４５°における試験では８分後の摩耗
量が７×１０^-4ｃｍ以下のものを優れたものとし、噴射
角度９０°における試験では８分後の摩耗量が５×１０
^-4ｃｍ以下のものを優れたものと判断した。

【００４２】なお、本発明実施例として表１の試料１に
かかるアルミナ焼結体をテストピースに使用し、比較例
として表１の試料５〜８にかかるアルミナ焼結体をテス
トピースに使用した。

【００４３】それぞれの結果は表２、３及び図１
（ａ），（ｂ）に示す通りである。

【００４４】

【表２】

【００４５】

【表３】

【００４６】図１（ａ），（ｂ）より判るように、試料
８のアルミナ焼結体は、焼結体のアルミナ平均結晶粒子
径が２０μｍと非常に大きく、また、ロックウェル硬度
も８９ｋｇ／ｍｍ² 未満であるため、短時間で摩耗して
しまった。

【００４７】また、試料５及び試料６のアルミナ焼結体
は、焼結体中のアルミナ平均結晶粒子径が５〜１０μｍ
と試料８のアルミナ焼結体と比べ小さいことから、耐摩
耗性が向上しているものの、ロックウェル硬度が８９ｋ
ｇ／ｍｍ² 未満であるため、各噴射角度における耐摩耗
性を満足しなかった。

【００４８】さらに、試料７のアルミナ焼結体は、焼結
体のアルミナ平均結晶粒子径が５μｍ程度と均一で且つ
微小径を有しているものの、ロックウェル硬度が８９ｋ
ｇ／ｍｍ² 未満であるためにやはり８分後の摩耗量はそ
れぞれの基準値を満足しなかった。

【００４９】これに対し、試料１の本発明に係るアルミ
ナ焼結体は、焼結体のアルミナ平均結晶粒子径が５μｍ
以下で、且つロックウェル硬度が８９ｋｇ／ｍｍ² 以上
を有しているため、８分後の摩耗量はそれぞれの基準値
を満足した。

【００５０】なお、この実験では噴射角度を４５°と９
０°についてそれぞれ試験を行ったが本発明に係るアル
ミナ焼結体は共に、高い耐摩耗性を有していた。この結
果、例えば、あらゆる方向から破砕粒子が衝突する粉砕
機用部材や内張り材などに最適に使用することができ
る。

【００５１】〔実験例３〕次に、湿式状態における耐摩
耗試験では、攪拌羽根の表面に表１のうち試料１，５，
７のアルミナ焼結体をそれぞれ張り付け、スラリー液を
８時間攪拌した時の各試料の摩耗率を測定した。

【００５２】スラリー液には、平均結晶粒子径７１０μ
ｍのアルミナ砥石を３３重量％含んだものを用い、２時
間ごとに各試料の重量を測定し、摩耗による重量の減少
率を求め、この減少率を摩耗率として測定した。

【００５３】なお、評価基準として、８時間後の攪拌に
おいて摩耗率が３％未満のものを優れているとした。

【００５４】それぞれの結果は表４に示す通りである。

【００５５】

【表４】

【００５６】表４より判るように、比較例である試料５
のアルミナ焼結体は、焼結体のアルミナ平均結晶粒子径
が５〜１０μｍとばらつきがあり、しかも、ロックウェ
ル硬度が８９ｋｇ／ｍｍ² 未満であるため、８時間後の
摩耗率が７％と基準値から大きく掛け離れた結果であっ
た。

【００５７】また、比較例である試料７のアルミナ焼結
体は、焼結体のアルミナ平均結晶粒子径が５μｍ程度と
均一で且つ微小径を有しているものの、ロックウェル硬
度が８９ｋｇ／ｍｍ² 未満であるために８時間後の摩耗
率は４％と基準値を満足していなかった。

【００５８】これに対して、本発明である試料１のアル
ミナ焼結体は、焼結体のアルミナ平均結晶粒子径が２〜
３μｍ程度と５μｍ以下のアルミナ粒子径からなり、ロ
ックウェル硬度も８９ｋｇ／ｍｍ² 以上であるため、８
時間後の摩耗率は２．８％と基準値を満足した。

【００５９】この結果より、湿式状態においても本発明
のアルミナ焼結体は優れた耐摩耗性を有しており、例え
ばミルの内張り材や、ポンプなどスラリーへの耐摩耗性
が要求される用途にも最適に使用することができる。

【００６０】以上のように、本発明に係るアルミナ焼結
体は、乾式・湿式状態に関係なく優れた耐摩耗性を有し
ているため、例えば、シューやダクトなどの内張り材、
粉砕機用部材、軸受部材、メカニカルシール、ガイド
軸、糸道、ワイヤガイド、工作機械の案内面、定盤、治
工具、紡糸ノズル、ブラストノズル、射出成形用ノズル
などのノズル、抄紙機用の支持部材、ポンプ、工業用あ
るいは民生用の刃物、カッター、キャプスタンなどの耐
摩耗性を要する様々な用途に最適に用いることができ
る。

【００６１】

【発明の効果】本発明に係るアルミナ焼結体は、主原料
に易焼結性アルミナ粉末を用い、添加剤としてＳｉ
Ｏ₂ 、ＭｇＯ、Ｂ₂ Ｏ₃ の添加剤をそれぞれ所定の範囲
で添加し、焼成温度１４００〜１５００℃の酸化雰囲気
中で焼成したことにより、比較的低純度のアルミナ焼結
体にもかかわらず、高硬度を有し耐摩耗性に優れたアル
ミナ焼結体とすることができ、電子部品材料や産機部品
材料、あるいは構造材料などの各種工業材料として好適
に用いることができる。

【００６２】しかも、本発明に係るアルミナ焼結体は、
低温で焼成することができるため、炉の寿命低下を防止
することができるとともに、消費電力を低減することが
でき、非常に経済的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明及び比較例のアルミナ焼結体における乾
式状態での耐摩耗性試験結果を示すグラクであり、
（ａ）は噴射角度が４５°のグラクであり、（ｂ）は噴
射角度が９０°のグラクである。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ａｌ₂ Ｏ₃ を９０〜９５重量％と、ＳｉＯ
   ₂ 、ＭｇＯ、Ｂ₂ Ｏ₃の添加剤を以下の範囲でそれぞれ
   含有してなり、焼結体中のアルミナ平均結晶粒子径が２
   〜５μｍで、且つロックウェル硬度が８９ｋｇ／ｍｍ²
   以上であることを特徴とする耐摩耗性アルミナ焼結体。 ＳｉＯ₂ ：３．０〜５．０重量％ ＭｇＯ ：１．０〜１．５重量％ Ｂ₂ Ｏ₃ ：０．５〜３．５重量％
2. 【請求項２】平均粒子径１μｍ以下で、且つ比表面積５
   ｍ² ／ｇ以上の易焼結性アルミナ粉末９０〜９５重量％
   に対し、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｂ₂ Ｏ₃ の添加剤を以下の
   範囲で添加し、さらに成形用バインダーとともに粉砕・
   造粒を行ったあと成形し、焼成温度１４００〜１５００
   ℃の酸化雰囲気中で焼成することを特徴とする耐摩耗性
   アルミナ焼結体の製造方法。 ＳｉＯ₂ ：３．０〜５．０重量％ ＭｇＯ ：１．０〜１．５重量％ Ｂ₂ Ｏ₃ ：０．５〜３．５重量％