JPH10194840A

JPH10194840A - 粉砕機用部材

Info

Publication number: JPH10194840A
Application number: JP8350076A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sakagami; 勝伺坂上; Masahiro Ito; 政宏伊藤; Takeo Fukutome; 武郎福留
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-28
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: JP3554125B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性、耐衝撃性ならびに耐熱衝撃性が改善
した粉砕機用部材を提供する。【解決手段】β−窒化ケイ素結晶相、ならびにＹおよび
／または希土類元素とケイ素とアルミニウムと酸素と窒
素とからなる粒界相を含む窒化ケイ素焼結体から成り、
窒化ケイ素を７５〜９５重量％、Ｙおよび／または希土
類元素を酸化物換算量で１〜１０重量％、アルミニウム
を酸化物換算量０．０１〜５重量％、不純物的酸素を酸
化ケイ素換算量で１０重量％以下にして、さらに密度
３．１ｇ／ｃｍ³ 以上、気孔率５％以内にして、平均径
５〜３０μｍのボイドを鎖状に点在せしめた焼結体を粉
砕機用部材として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐衝撃性および耐摩
耗性が要求される容器、内張材、粉砕用メデイア等の粉
砕機用部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、粉砕機は耐衝撃性に優れた金属製
の粉砕機用部材により構成されていたが、被粉砕物の高
純度化、ならびに粉砕機および粉砕機部材の軽量化とい
う近年の要求に対しては、満足し得るものではなかっ
た。

【０００３】すなわち、金属製粉砕機用部材は耐衝撃性
に優れるが、その反面、耐摩耗性が不十分であって、金
属成分であるＦｅ摩耗粉が混入される場合があり、粉砕
物の高純度化は望めなかった。そこで、金属体にコーテ
イングを施した部材が使用されているが、金属は密度が
高いため、粉砕機および粉砕機用部材の重量が大きくな
り、これにより、被粉砕物の容量に対して、大きなウエ
イトを占めていた。

【０００４】かかる問題点を解決するために、アルミナ
およびジルコニア等のセラミックスを用いて耐摩耗性と
軽量化を達成した粉砕機用部材が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
セラミックス製粉砕機用部材によれば、耐衝撃性に劣
り、しかも、熱伝導率も低く、そのため、天然石等の乾
式粉砕における温度上昇によって耐熱衝撃性の点から満
足し得るものではない。

【０００６】そこで、セラミックス体に金属コーテイン
グを施した粉砕機用部材が提案されているが、このよう
なコーテイング技術においてはコーテイング層の摩耗や
剥離により、粉砕性能が低下するという問題点がある。

【０００７】また、窒化ケイ素焼結体からなる粉砕機用
部材も提案されているが（特開平５−３０１７７５号参
照）、実用上十分に満足できるものではなく、その焼結
体の密度・気孔率・ボイドと、強度や靱性との関係につ
いては何ら言及されていない。

【０００８】したがって本発明の目的は、耐摩耗性、耐
衝撃性ならびに耐熱衝撃性に優れた粉砕機用部材を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の粉砕機用部材
は、β−窒化ケイ素結晶相、ならびにＹおよび／または
希土類元素とケイ素とアルミニウムと酸素と窒素とから
なる粒界相を含む窒化ケイ素焼結体から成り、窒化ケイ
素を７５〜９５重量％、Ｙおよび／または希土類元素を
酸化物換算量で１〜１０重量％、アルミニウムを酸化物
換算量０．０１〜５重量％、不純物的酸素を酸化ケイ素
換算量で１０重量％以下の割合で含み、密度３．１ｇ／
ｃｍ³ 以上、気孔率５％以下、さらに平均径５〜３０μ
ｍのボイドを鎖状に点在せしめたことを特徴とする。

【００１０】本発明の他の粉砕機用部材は、前記ボイド
のうち、ボイド径５μｍ以下が全ボイド数の２０％以下
に、ボイド径３０μｍ以上が１０％以下に、残部がボイ
ド径５〜３０μｍになるように分布せしめたことを特徴
とする。

【００１１】本発明のさらに他の粉砕機用部材は、前記
窒化ケイ素焼結体に助剤成分としてＭｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍ
ｎ、ＣｕおよびＦｅの少なくとも１種以上を酸化物、窒
化物、酸窒化物もしくは珪化物として８重量％以下の割
合で含むことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の粉砕機用部材は上記のよ
うにβ−窒化ケイ素結晶相、Ｙ、希土類元素、ケイ素、
アルミニウム、酸素および窒素とからなる窒化ケイ素焼
結体であって、さらに窒化ケイ素を７５〜９５重量％、
好適には８０〜９０重量％含み、この範囲内であれば、
高い耐衝撃性および耐熱衝撃性が得られる。また、窒化
ケイ素結晶相については、針状β−窒化ケイ素粒子であ
り、それが絡み合った構造となることで、破壊靱性およ
び強度が向上し、さらに耐衝撃性の向上にも寄与する。

【００１３】しかも、上記窒化ケイ素焼結体には、Ｙお
よび／または希土類元素を酸化物換算量で１〜１０重量
％、好適には３〜８重量％含み、また、アルミニウムを
酸化物換算量０．０１〜５重量％、好適には１〜３重量
％含み、さらに不純物的酸素を酸化ケイ素換算量で１０
重量％以下、好適には８重量％以下含み、これらの範囲
内であれば、高耐摩耗性が得られる。

【００１４】ここで、上記不純物的酸素とは、焼結体中
の全酸素量から焼結体中のＹまたは希土類元素（ＲＥ）
およびＡｌに対して化学量論組成（ＲＥ₂Ｏ₃およびＡ
ｌ₂O₃）で結合していると仮定される酸素量を差し引い
た残りの酸素量であり、そのほとんどは窒化ケイ素粉末
中の不可避的酸素または意図的に添加されたＳｉＯ₂成
分より構成される。

【００１５】上記希土類元素としては、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ、Ｓｍ等が挙げられる。

【００１６】また、窒化ケイ素焼結体に助剤成分として
Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ、ＣｕおよびＦｅの少なくとも１
種以上を酸化物、窒化物、酸窒化物もしくは珪化物とし
て８重量％以下の割合で含有させると、焼結性を高め、
緻密化を促進し、耐衝撃性や耐摩耗性を向上させるとい
う点で望ましい。

【００１７】そして、かかる組成の窒化ケイ素焼結体に
対して、密度が３．１ｇ／ｃｍ³ 以上、好適には３．１
５ｇ／ｃｍ³ 以上になるように、かつ気孔率を５％以
内、好適には３％以内になるように焼成することで、高
い耐衝撃性が達成できる。

【００１８】とくに窒化ケイ素焼結体内に所定の範囲で
ボイドを鎖状に点在させることで、破壊源であるクラッ
クが発生した場合において、クラックの進展により破損
や欠損および割損が生じても、クラックの進展を防止す
ることができる。このボイドの分布状態については、平
均径５〜３０μｍのボイドを点在させる。さらにボイド
径５μｍ以下が全ボイド数の２０％以下に、ボイド径３
０μｍ以上が１０％以下に、残部がボイド径５〜３０μ
ｍになるように分布させることが望ましい。

【００１９】平均ボイド径が５μｍ未満の場合には、小
さなボイドが均一に点在してクラックが結晶粒界に選択
的に進展し、これによって大きな脱粒摩耗やチッピング
を併発し、その結果、クラックの進展防止が十分におこ
なわれなくなる。他方、平均ボイド径が３０μｍを越え
るとボイドが破壊源となり、強度、耐衝撃性が低下す
る。

【００２０】このようにボイドを鎖状に点在させるに
は、窒化ケイ素原料を一旦造粒して平均粒径が３０〜３
００μｍの造粒体を作製し、これを成形、焼成する。こ
の方法によれば、造粒体の内部は緻密なために粗大ボイ
ドが発生しにくいが、造粒体を用いて成形した場合、図
１に示すように造粒体の粒間にボイドが発生し、このボ
イドは造粒体の周囲にそって点在する結果、大きさが５
〜３０μｍのボイドのほとんどはいわゆる鎖状に点在す
ることになる。なお、鎖状以外の領域に微小ボイドが存
在する場合もある。

【００２１】これに対して造粒しない場合には、窒化ケ
イ素原料を混合粉砕し、そのままで成形、焼成すると、
図２に示すようにボイドは窒化ケイ素結晶粒間に発生
し、全体としてボイドは鎖状に並ぶことはなく、均一に
点在する。

【００２２】本発明の粉砕機用部材を製造するには、窒
化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）原料に対して、その一部をＳｉ
により置換すると、低温で窒化を行った場合にα−Ｓｉ
₃Ｎ₄が生成されやすくなり、窒化体のα分率が高くな
り、その結果、その後の焼結過程で針状のβ−窒化ケイ
素結晶相の生成を増加させることができ、焼結体の強度
を高くさせることができる。そのためには、配合する窒
化ケイ素原料の０〜８０重量％相当量（Ｓｉ₃Ｎ₄換
算）をＳｉで置換するとよい。さらにこの置換でもって
高温強度にも優れるようになり、より安定な強度が得ら
れるという効果もある。

【００２３】そして、上記窒化ケイ素原料と、Ｙおよび
／または希土類元素の酸化物、アルミニウム酸化物、酸
化ケイ素、助剤成分などを調合し、得られた混合粉末を
メッシュパス造粒、スプレー造粒、乾式造粒等により３
０〜３００μｍの大きさの造粒体を形成した後に、公知
の成形法、たとえばプレス成形、鋳込み成形、押し出し
成形、射出成形、冷間静水圧成形などにより所望の形状
に成形する。

【００２４】つぎに、この成形体を公知の焼成により焼
結させる。たとえばホットプレス法、常圧焼成、窒素ガ
ス圧焼成をおこなって、その後にＨＩＰ焼成やガラスシ
ールＨＩＰ焼成等をおこなって、緻密な焼結体を得る。

【００２５】かくして上記のような製法により粗大ボイ
ドが鎖状に点在したことで、耐摩耗性、耐衝撃性ならび
に耐熱衝撃性に優れた粉砕機用部材が提供できる。

【００２６】なお、本発明の粉砕機用部材については、
上述した組成の他に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元
素の各金属や、それらの炭化物、窒化物、珪化物、Ｓｉ
Ｃなどを分散粒子やウィスカ−として、焼結体中に存在
させ、さまざまな特性改善をおこなってもよい。

【００２７】

【実施例】α分率の異なる窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、
各種の希土類元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）、酸化アルミニ
ウム（Ａｌ₂Ｏ₃）および酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の各
粉末を用いて、各成分が表１および表２に示す組成にな
るように調合し、スプレードライ粒径が４０〜２００μ
ｍの造粒体を作製した。その後、０．３〜３トン／ｃｍ
²の圧力でもってラバープレス（アイソスタテイックプ
レス）成形をおこなった。なお、ＳｉＯ₂量はＳｉ₃Ｎ
₄粉末中の不純物酸素をＳｉＯ₂換算したものも含む。

【００２８】各成形体を炭化ケイ素質のこう鉢に入れ、
カーボンヒーターを用いて、常圧窒素中で焼成した。こ
の焼成においては、成形体を炭化ケイ素質の匣鉢に入れ
て、組成変動を少なくするために雰囲気を制御した。

【００２９】Ｓｉを含まない場合には、窒素圧９気圧の
窒素中、表１および表２の焼成温度で５時間焼成し、そ
の後に炉冷して焼結体を得た。また、Ｓｉを含む場合に
は、１１５０℃で５時間加熱して窒化させ、その後に表
１および表２の焼成温度で５時間焼成し、続けて炉冷し
て焼結体を得た。なお、ボイドの大きさは成形時の圧力
によって制御した。

【００３０】また、比較例として造粒をおこなわないで
成形し、焼成した（試料Ｎｏ．９〜１１、１６、１８、
１９）。さらにまた、比較例としてアルミナ材やジルコ
ニア材も作製した。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】かくして得られた各焼結体に対して、密
度、気孔率、強度、靭性、ボイド分布状態、摩耗状態を
測定したところ、表３および表４に示すとおりの結果が
得られた。

【００３４】

【表３】

【００３５】

【表４】

【００３６】密度および気孔率はＪＩＳＲ１６０１にて
規定された条件の形状にまで加工し、さらに各試料をア
ルキメデス法に基づく比重測定により求めた。強度はＪ
ＩＳＲ１６０１に基づき室温の４点曲げ抗折強度試験を
おこなって求めた。靭性は鏡面仕上げをおこなった試料
に対して、ＪＩＳ−Ｒ１６０７に基づく室温での破壊靱
性を測定することで求めた。

【００３７】さらにボイドの状態はＳＥＭや実体顕微鏡
を用いてボイドの分布状態を調べた。なお、表中の「均
一」とはボイドが全体にわたってほぼ均一に分布してい
る状態であり、「鎖状点在」とはボイドの一部またはす
べてが鎖状に配列している状態である。

【００３８】摩耗試験として下記のとおり摩耗率と損傷
率を求める試験をおこなった。摩耗率については、６０
ｍｍ×３０ｍｍ×６ｍｍの試料板を作製し、表面を平滑
に仕上げて評価面となし、この面に対してメデイアとし
てＳｉＣ製ＧＣ＃１６番（１０００ー１４１０μｍ）を
噴射圧力３ｋｇ／ｃｍ²で、１０分間、試料板に直角
（９０°）にあてることで、試料板の重量変化を測定
し、これを摩耗率とした。なお、上記噴射のノズル径は
φ７．６ｍｍとし、衝突距離は１０ｍｍとした。

【００３９】損傷率については、ＪＩＳＲ１６０１に基
づく形状（４ｍｍ×３ｍｍ×４０ｍｍ）の試料体２５０
ｇをメディアとし、水３００ｃｃとともにポットミルに
入れ、振動ミルで粉砕媒体を混ぜないでおこなう、から
ずり試験を７２時間おこなった。その後、メデイアを取
り出し、洗浄および乾燥させ、そのメデイアの重量変化
により損傷率を求めた。

【００４０】表３および表４の結果から明らかなとお
り、本発明の試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８については、強度
７００ＭＰａ以上、靭性６．０ＭＰａｍ^1/2以上、磨耗
率０．１％以下、損傷率０．１％以下が達成できた。

【００４１】これに対して、試料Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１
４では摩耗率が著しく増加し、損傷率も増大している。
密度が２．８８ｇ／ｃｍ³の試料Ｎｏ．１５では摩耗
率、損傷率ともに著しく増大している。平均ボイド径が
３μｍの試料Ｎｏ．１６では損傷率が増大しており、平
均ボイド径１５０μｍの試料Ｎｏ．１７では摩耗率、損
傷率ともに著しく増大している。

【００４２】試料Ｎｏ．１８では、ボイドの分散状態で
は最大径５μｍ以上で３０μｍ以下のボイドが均一に分
散し、損傷率が増大している。

【００４３】気孔率５％以上の試料Ｎｏ．９、また、ボ
イドの分布状態が本発明の範囲から外れている試料Ｎ
ｏ．１９とＮｏ．２０では摩耗率、損傷率が増大してい
る。

【００４４】しかも、本発明の各試料によれば、アルミ
ナ材（試料Ｎｏ．２１）やジルコニア材（試料Ｎｏ．２
２）と比較しても大幅に摩耗率、損傷率が低く、耐摩耗
性や耐衝撃性に優れていた。

【００４５】

【発明の効果】以上のとおり、本発明の粉砕機用部材に
よれば、組成内容を限定した窒化ケイ素焼結体に対し
て、さらに密度、気孔率、ボイド平均径ならびにボイド
を点在させることで、耐摩耗性、耐衝撃性ならびに耐熱
衝撃性に優れた粉砕機用部材が提供できた。

【００４６】また、本発明の粉砕機用部材によれば、か
かるボイドに対して、ボイド径５μｍ以下が２０％以内
に、ボイド径３０μｍ以上が１０％以内に、残部がボイ
ド径５〜３０μｍになるように分布させることで、耐摩
耗性、耐衝撃性ならびに耐熱衝撃性がさらに向上した粉
砕機用部材が提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粉砕機用部材の写真模式図である。

【図２】比較例の粉砕機用部材の写真模式図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 β−窒化ケイ素結晶相、ならびにＹおよ
び／または希土類元素とケイ素とアルミニウムと酸素と
窒素とからなる粒界相を含む窒化ケイ素焼結体から成
り、窒化ケイ素を７５〜９５重量％、Ｙおよび／または
希土類元素を酸化物換算量で１〜１０重量％、アルミニ
ウムを酸化物換算量０．０１〜５重量％、不純物的酸素
を酸化ケイ素換算量で１０重量％以下の割合で含み、密
度３．１ｇ／ｃｍ³ 以上、気孔率５％以下、さらに平均
径５〜３０μｍのボイドを鎖状に点在せしめたことを特
徴とする粉砕機用部材。
【請求項２】前記ボイドのうち、ボイド径５μｍ以下
が全ボイド数の２０％以下に、ボイド径３０μｍ以上が
１０％以下に、残部がボイド径５〜３０μｍになるよう
に分布せしめたことを特徴とする請求項１記載の粉砕機
用部材。
【請求項３】前記窒化ケイ素焼結体にＭｇ、Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｍｎ、ＣｕおよびＦｅの少なくとも１種以上を酸化
物、窒化物、酸窒化物もしくはケイ化物として８重量％
以下の割合で含むことを特徴とする請求項１または請求
項２記載の粉砕機用部材。