JP5981306B2

JP5981306B2 - アルミナ質焼結体およびこれを用いた耐摩耗部材

Info

Publication number: JP5981306B2
Application number: JP2012242811A
Authority: JP
Inventors: 美恵子八嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: JP2014091648A

Description

本発明は、アルミナ質焼結体およびこれを用いた耐摩耗部材に関する。

従来から、鉱石資源などを搬送する搬送装置や、搬送後に粉砕する粉砕装置などの粉砕部材や内壁部には、耐摩耗性に優れたアルミナ質焼結体からなる部材が用いられている。

アルミナ質焼結体としては、例えば、特許文献１に、良好な機械的特性を得るためにＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３を存在させない、または存在量が検出限界値以下とした、アルミナ粒子と金属ホウ化物粒子が複合された金属ホウ化物添加系アルミナ質焼結体が提案されている。

特開平９−328356号公報

しかしながら、特許文献１で提案された金属ホウ化物添加系アルミナ質焼結体は硬度等の機械的特性が高まっているものの破壊靱性が劣化するために、粉砕装置の粉砕用部材や鉱石資源などの被粉砕物などがぶつかった衝撃により表面に微細な亀裂が生じて、その微細な亀裂が進展することにより脱粒しやすいという課題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、亀裂の進展しにくいアルミナ質焼結体を提供することを目的とする。

本発明のアルミナ質焼結体は、酸化アルミニウムを主成分とし、副成分としてＢをＢ_２Ｏ_３換算で１〜10質量％、ＭｏをＭｏＯ _２換算で０．０１質量％以上０．１質量％以下含有するとともにＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶が存在することを特徴とするものである。

また、本発明の耐摩耗部材は、上記のアルミナ質焼結体を用いたことを特徴とするものである。

本発明のアルミナ質焼結体によれば、酸化アルミニウムを主成分とし、副成分としてＢをＢ_２Ｏ_３換算で１〜10質量％、ＭｏをＭｏＯ _２換算で０．０１質量％以上０．１質量％以下含有するとともにＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶が存在することにより、アルミナ質焼結
体に微細な亀裂が生じても、亀裂が進展しにくいとともに、機械的強度を高く維持できる。

また、本発明の耐摩耗部材によれば、上記アルミナ質焼結体を用いるため、長期にわたって使用することができる。

以下、本実施形態のアルミナ質焼結体の一例について説明する。

本実施形態のアルミナ質焼結体は、酸化アルミニウムを主成分とし、副成分としてＢを
Ｂ_２Ｏ_３換算で１〜10質量％含有するとともにＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶が存在している。

このようなアルミナ質焼結体は、衝撃によりアルミナ質焼結体に亀裂が生じたとしても、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶により亀裂の進展が妨げられるため、亀裂が進展しにくい。したがって本実施形態のアルミナ質焼結体は、亀裂の進展に伴って生じるアルミナ結晶の粒界破壊が抑制されることでアルミナ結晶粒子が脱粒しにくくなるため、耐摩耗性に優れたものとすることができる。なお、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶は、アルミナ結晶の粒界に存在する。また、本実施形態でいう「亀裂」とは衝撃によりアルミナ質焼結体を構成する結晶の粒界相に発生する微細な亀裂のことをいう。

また、本実施形態のアルミナ質焼結体は、副成分としてＢをＢ_２Ｏ_３換算で１〜10質量％含有することで、結晶粒界に存在するＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶の量が増えすぎないようにすることができるため、アルミナ質焼結体の緻密化が促進され機械的強度を高く維持することができる。

ここで、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶は針状の結晶形態をしており、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶粒径が小さいほど、アルミナ結晶の粒界相中に分散して存在しやすくなるため、亀裂の進展を妨げる効果が大きくなり、より効率的に亀裂の進展を抑制することができる。なお、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶の平均結晶粒径は、例えば、0.5μｍ〜2.0μｍであればよく、副成分としてＢをＢ_２Ｏ_３換算で１〜10質量％含有するとき、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶粒径は前記範囲となる傾向がある。

なお、針状であるＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶の平均粒径は以下のように算出すればよい。まずアルミナ質焼結体のＳＥＭおよびＴＥＭ観察写真からＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶の長径と短径を測定し、（長径＋短径）／２の計算式にて求めた値を粒径の値とする。そして、サンプル数を10以上として、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶の粒径の平均値を求めればよい。

ここで、本実施形態のアルミナ質焼結体の含有成分、例えば、Ｂ（ホウ素）の含有量は、アルミナ質焼結体の一部を粉砕し、得られた粉体を塩酸などの溶液に溶解した後、例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（島津製作所製：ＩＣＰＳ−8100）を用いて測定することができる。

また、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶の存在の有無については、例えばＸ線回折装置（ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ社製：ＡＤＶＡＮＣＥ）を用いて、２θ＝10°〜80°，ＣｕＫα_１測定
の条件で、アルミナ質焼結体の表面を測定し、得られたＸ線回折チャートからＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶相をＪＣＰＤＳカードに基づき同定することで確認することができる。

なお、本実施形態のアルミナ質焼結体は、副成分として、Ｂの他に、Ｍｏ（モリブデン），Ｎａ（ナトリウム），Ｋ（カリウム），Ｆｅ（鉄），Ｔｉ（チタン），Ｓｉ（シリカ），Ｍｇ（マグネシウム）およびＣａ（カルシウム）などの成分や、不可避不純物由来の成分を含んでいてもよい。

また、本実施形態のアルミナ質焼結体は、副成分として、ＭｏをＭｏＯ_２換算で0.01質量％以上１質量％以下含有することが好ましい。ＭｏのＭｏＯ_２換算での含有量が前記範囲であるとき、摩擦係数の低いＭｏの含有量が多くなるため、例えば、粉砕装置の粉砕用部材や鉱物資源などの被粉砕物（以下、単に被粉砕物ともいう。）がアルミナ質焼結体表面に衝突したとしても滑りやすくなり、アルミナ質焼結体表面に加わる衝撃力が緩和されやすくなる。また、Ｍｏの含有量が多くなりすぎないよう抑制できるため、アルミナ質焼
結体が緻密化しやすく、機械的特性を高く維持することができる。

さらに、本実施形態のアルミナ質焼結体は、副成分としてＳｉ，ＣａおよびＭｇを酸化物換算で合計４〜15質量％含有することが好ましい。Ｓｉ，ＣａおよびＭｇの含有量が前記範囲内である場合には、緻密化され良好な機械的特性を有するアルミナ質焼結体が得られる傾向がある。さらに、本実施形態のアルミナ質焼結体は、Ｓｉ，ＣａおよびＭｇを、それぞれの酸化物換算で、ＳｉをＳｉＯ_２換算で４質量％以上８質量％以下、ＣａをＣａＯ換算で0.1質量％以上２質量％、ＭｇをＭｇＯ換算で0.5質量％以上３質量％以下含有することがより好ましい。

次に、本実施形態のアルミナ質焼結体の製造方法の一例を以下に示す。

まず、１次原料として、平均粒径が１μｍ程度の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と、平均粒径がそれぞれ１μｍ程度の酸化珪素（ＳｉＯ_２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）および水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）と、ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）の粉末を準備し所定量秤量する。

次に、前記秤量後の各原料粉末と、これらを混合した１次原料粉末の合計100質量％に
対し、例えば１〜1.5質量％のＰＶＡなどのバインダと、100質量％の溶媒と、0.1〜0.5質量％の分散剤とを攪拌機内に入れて混合・攪拌してスラリーとした後、これを噴霧造粒装置（スプレードライヤー）にて造粒し、顆粒を得る。

そして、得られた顆粒を用いて金型プレス成形法や静水圧プレス成形法などの各種成形方法により所定形状に成形し、必要に応じて切削加工を施した後、これを焼成炉にて大気雰囲気中1400〜1600℃の最高温度で焼成する。焼成後、研削加工により最終仕上げすることにより本実施形態のアルミナ質焼結体を得ることができる。

ここで、本実施形態のアルミナ質焼結体を得るには、前記１次原料に用いるホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）の原料粉末の平均粒径を100μｍ以上１ｍｍ以下の範囲内とすることが好まし
い。ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）は焼成時に蒸発し易いため、焼成後のアルミナ質焼結体の結晶粒界にアルミナとの反応生成物であるＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶を存在させるために平均粒径が粗大な原料粉末を用いる必要がある。平均粒径が100μｍ未満のホウ酸（Ｈ_３ＢＯ
_３）の１次原料粉末を用いた場合には、焼成時にホウ酸が低温で蒸発し易く、アルミナ質焼結体の結晶粒界にＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶を存在させることが困難であり、平均粒径が１ｍｍを超えるホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）の１次原料粉末を用いた場合には、成形体の密度を向上させにくく、焼成後のアルミナ質焼結体を緻密化させることが困難となる。

また、酸化モリブデン（ＭｏＯ_２）粉末を準備し、他の副成分とともに添加し、前記と同様の工程を経ることにより、副成分として、Ｍｏ成分を含むアルミナ質焼結体が得られる。

このような製造方法を用いて製造された本実施形態のアルミナ質焼結体は、機械的強度を高く維持できるとともに、衝撃によりアルミナ質焼結体に亀裂が生じたとしても、その亀裂が進展しにくい。したがって、本実施形態のアルミナ質焼結体を耐摩耗部材、例えば、鉱石資源を搬送する搬送装置や搬送後に粉砕するための粉砕装置などの粉砕用部材や内壁部材、各種粉体処理装置や粉体加工機の内壁部材として用いれば、長期にわたって使用することができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

酸化アルミニウムを主成分とし、副成分としてＢを含むとともにＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶を粒界相に存在させたアルミナ質焼結体を作製し、耐摩耗性について評価した。

まず、１次原料として、平均粒径が１μｍの酸化アルミニウム，酸化珪素（ＳｉＯ_２），炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）および水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）と、平均粒径が500μｍのホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）とを準備し、焼結体がＡｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｍｇ，
Ｂの元素を酸化物換算で表１に示す値となるように秤量した。

その後、１次原料粉末の合計100質量％に対し、１質量％のＰＶＡ（ポリビニールアル
コール）と、100質量％の溶媒と、0.2質量％の分散剤と、１次原料粉末とを攪拌機内に入れて混合・攪拌してスラリーとした。その後、このスラリーを噴霧造粒装置（スプレードライヤー）にて造粒して顆粒を得た。

そして、得られた顆粒をそれぞれ金型内に充填してプレスし、その後、切削加工を施して所定形状の成形体を複数得た。次に、得られた成形体を焼成炉に入れて大気雰囲気中1500℃の最高温度で焼成し、その後、研削加工を施してφ60ｍｍ、厚さ10ｍｍの試料Ｎｏ．１〜９を得た。なお、試料Ｎｏ．８は、１次原料として平均粒径が50μｍのホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）を使用した。

次に、試料Ｎｏ．１〜９について、表面をＸ線回折装置（ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ社製：
ＡＤＶＡＮＣＥ）を用いて、２θ＝10°〜80°，ＣｕＫα_１測定の条件で測定し、得られたＸ線回折チャートからＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶相の有無を確認した。その結果を表１に示す。また、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（島津製作所製：ＩＣＰＳ−8100）を用いて各試料に含まれる元素（Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｂ）の含有量が表１とそれぞれ一致することを確認した。

また、試料Ｎｏ．１〜９の重量を測定した後、市販のブラスト装置内にそれらの試料を載置し、試料表面までの距離を50ｍｍとして、口径φ10ｍｍのノズルから砥粒を試料表面に所定のエアー圧力で10分間噴射した。ブラスト装置から試料を取り出し重量を測定した。そして砥粒の噴射前後に測定した各試料の重量から、各試料の重量減少量を算出した。さらにＪＩＳＲ1634−1998に準拠して各試料の磁器密度を測定し、重量減少量と磁器密度とから各試料の体積減少量を算出し、その値を耐摩耗性の指標とした。なお、体積減少量の値が小さいほど、より脱粒しにくいアルミナ質焼結体であることを示す。すなわち、本試験では、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶粒径の有無で、亀裂の進展を妨げる効果が得られるかどうかを確認した。

また、各試料の３点曲げ強度をＪＩＳＲ1601−1995に準拠して測定し、各試料の機械的強度を確認した。その結果は表１に示す。

表１から、酸化アルミニウムを主成分とし、副成分としてＢをＢ_２Ｏ_３換算で１〜10質量％含有するとともにＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶が存在する試料Ｎｏ．２〜６は体積減少量が690ｍｍ^３以下と小さく、さらに３点曲げ強度は330ＭＰａ以上と高い値を示した。つまり試料Ｎｏ．２〜６は、耐摩耗性が良好で、さらに機械的特性が高いと考えられる。

次に、１次原料として、平均粒径がそれぞれ１μｍの酸化アルミニウム，酸化珪素（ＳｉＯ_２），炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３），水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２），ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３），酸化モリブデン（ＭｏＯ_２）と、平均粒径が500μｍのホウ酸（Ｈ
_３ＢＯ_３）とを準備した。その後、酸化アルミニウム，酸化珪素，炭酸カルシウム，水酸化マグネシウムおよび酸化モリブデンを、焼結体がＡｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｂの元素を酸化物換算で表２に示す値となるように秤量した。

そして、ＭｏＯ_２の添加量を表２に示すように種々変更した以外は実施例１と同様の方法により試料Ｎｏ．10〜17を作製した。また、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（島津製作所製：ＩＣＰＳ−8100）を用いて各試料に含まれる元素（Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｂ）の含有量が表１とそれぞれ一致することを確認した。

また、砥粒の噴射による体積減少量および３点曲げ強度を実施例１と同様の方法を用いて測定した。その結果を表２に示す。

表２から、ＭｏのＭｏＯ_２換算での含有量が0.01質量％以上含有する試料Ｎｏ．11〜17はＭｏを含まない試料Ｎｏ．３に比べて体積減少量が小さくなっており、脱粒しにくくなっていることがわかった。さらに、試料Ｎｏ．11〜17において、ＭｏのＭｏＯ_２換算での含有量が0.01質量％以上１質量％以下含有する試料Ｎｏ．11〜16は、体積減少量が480ｍ
ｍ^３以下と低く、かつ３点曲げ強度が375ＭＰａ以上と高くなっており、Ｍｏを含まない
試料Ｎｏ．３および、Ｍｏの含有量が範囲外の試料Ｎｏ．10，17に比べて耐摩耗性がより良好で、機械的強度を高く維持している。

実施例１の試料Ｎｏ．４と同様の製造方法で、Ｓｉ，Ｃａ，ＭｇおよびＢの酸化物換算の合計含有量は同じとし、これらの比率を表３に示すように種々変更した試料Ｎｏ．18〜26を作製した。また、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（島津製作所製：ＩＣＰＳ−8100）を用いて各試料に含まれる元素（Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｂ）の含有量が表１とそれぞれ一致することを確認した。

そして各試料の３点曲げ強度を実施例１と同様の方法で測定した。その結果を表３に示す。

表３から、Ｓｉを酸化珪素換算で４質量％以上８質量％以下、前記Ｃａを酸化カルシウム換算で0.1質量％以上２質量％以下、前記Ｍｇを酸化マグネシウム換算で0.5質量％以上３質量％以下の範囲で含有する試料Ｎｏ．４，20，21，24，25は、３点曲げ強度が360Ｍ
Ｐａ以上の値を示し、その他の試料に比べて特に機械的強度の値が高いことがわかった。

Claims

酸化アルミニウムを主成分とし、副成分としてＢをＢ_２Ｏ_３換算で１〜１０質量％、ＭｏをＭｏＯ _２換算で０．０１質量％以上０．１質量％以下含有するとともにＡｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３の結晶が存在することを特徴とするアルミナ質焼結体。
前記Ａｌ _１８Ｂ _４Ｏ _３３の結晶の平均結晶粒経が０．５μｍ〜２．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のアルミナ質焼結体。
前記副成分として、ＳｉをＳｉＯ_２換算で４質量％以上８質量％以下、ＣａをＣａＯ換算で０．１質量％以上２質量％以下、ＭｇをＭｇＯ換算で０．５質量％以上３質量％以下含有してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアルミナ質焼結体。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアルミナ質焼結体からなることを特徴とする耐摩耗部材。