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粉砕機用部材 - 京セラ株式会社
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発明の名称 粉砕機用部材
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−272380
公開日 平成10年(1998)10月13日
出願番号 特願平9−79813
出願日 平成9年(1997)3月31日
代理人
発明者 坂上 勝伺 / 佐藤 政宏 / 福留 武郎 / 脇田 純弘
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】β−窒化ケイ素結晶相と、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を含む粒界相からなる窒化ケイ素質焼結体からなり、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3.20g/cm3 以上、気孔率3%以下、平均ボイド径が5μm以下であり、且つ前記ボイドが、ボイド径5〜30μmが30%以下、ボイド径30μm以上が5%以下、残部がボイド径5μm以下のボイド径分布を有することを特徴とする粉砕機用部材。
【請求項2】前記窒化ケイ素質焼結体に、Mg、W、Mo、Mn、CuおよびFeの少なくとも1種を、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。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は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、窒化ケイ素質焼結体からなる粉砕機用部材も特開平5−301775号にて提案されているが、優れた耐衝撃性を有する反面、耐摩耗特性の点で実用上十分に満足できるものではない。
【0008】したがって本発明の目的は、粉砕時の耐久性、特に耐摩耗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】本発明者らは、粉砕機用部材に窒化ケイ素質焼結体を採用する場合、その焼結体における成分組成や、密度および気孔率を所定範囲に制御するとともに、ボイド径を特定の分布で存在させると、優れた強度、靱性、硬度を具備するととともに、粉砕時においても摩耗の少ない優れた粉砕機用部材が得られることを見いだし、本発明に至った。
【0010】即ち、本発明の粉砕機用部材は、β−窒化ケイ素結晶相と、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質焼結体から成り、さらに、この焼結体は、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3.20g/cm3 以上、気孔率3%以下、平均ボイド径が5μm以下であり、且つ前記ボイドが、ボイド径5〜30μmが30%以下、ボイド径30μm以上が5%以下、残部がボイド径5μm以下のボイド径分布を有することを特徴とするものである。
【0011】また、前記窒化ケイ素質焼結体には、Mg、W、Mo、Mn、CuおよびFeの少なくとも1種を、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ものである。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の粉砕機用部材は、β−窒化ケイ素結晶相と、Y、希土類元素、ケイ素、アルミニウム、酸素および窒素を含む粒界相とからなる窒化ケイ素質焼結体から構成される。
【0013】また、組成上では、窒化ケイ素を75〜95重量%、好適には80〜90重量%含む。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、粉砕特性の向上にも寄与する。
【0014】さらに、上記窒化ケイ素質焼結体には、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、これらの範囲内において、高耐摩耗性が得られる。上記希土類元素としては、Er、Yb、Lu、Sm等が挙げられる。
【0015】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(RE2 3 およびAl23 )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。
【0016】また、上記窒化ケイ素質焼結体には、助剤成分としてMg、W、Mo、Mn、CuおよびFeの少なくとも1種を、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ことにより、焼結性を高め、緻密化を促進し、さらに特性の改善を図ることができる。
【0017】そして、かかる組成の窒化ケイ素質焼結体に対して、密度が3.20g/cm3 以上、好適には3.23g/cm3 以上になるように、かつ気孔率を3%以内、好適には1.5%以内であることが、優れた耐摩耗性を達成する上で重要であり、密度が3.20g/cm3 よりも低いと、粉砕時において部材の摩耗が大きくなる。
【0018】また、窒化ケイ素質焼結体内には、所定の範囲でボイドを均一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5μm以下であり、さらに、前記ボイドが、直径5〜30μmのボイドが全ボイド数の30%以下、ボイド径30μm以上が5%以下、残部がボイド径5μm以下のボイド径分布からなることが重要である。
【0019】これは、平均ボイド径が5μmを越えると、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、これによって微小な脱粒摩耗やチッピングを併発し、その結果、粉砕メデイア中に混入して、粉砕物の高純度化が望めなくなる。また、ボイド径分布において、ボイド径30μm以上が5%を越えると、局所的な欠けや脱粒が生じて摩耗を促進し、5〜30μmのボイド数が30%を越えると微小な欠け、脱粒が増加し、摩耗が増加するためである。
【0020】このようなボイドを均一に点在させるには、窒化ケイ素原料を混合粉砕し、造粒なしに、成形、焼成したり、混合粉末を一旦造粒した後、この造粒した粉体を成形時に成形圧力を十分に上げて造粒粉体をつぶすことにより、均一に点在させることができる。なお、ボイド径分布は、用いる原料粉末と成形時の圧力、さらには焼成条件による緻密化の程度によって制御できる。
【0021】具体的に、本発明の粉砕機用部材を製造するには、窒化ケイ素原料として、窒化ケイ素粉末、特にα化率が90%以上の粉末を用いるか、あるいは窒化ケイ素原料の0〜80重量%相当量をケイ素粉末に置き換え、ケイ素粉末を低温で窒化するとα−Si3 4 が生成されやすくなり、窒化後の成形体のα−Si3 4の含有量を高めることができる。このようなα−Si3 4 の含有量の大きい成形体を焼成すると、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、焼結体の強度および靱性を高くさせることができる。
【0022】そして、上記窒化ケイ素原料と、Yおよび/または希土類元素酸化物粉末、アルミニウム酸化物粉末、酸化ケイ素粉末、さらには、Mg、W、Mo、Mn、CuおよびFeの少なくとも1種の酸化物、窒化物、酸窒化物もしくは珪化物粉末を調合し、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30〜300μm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。
【0023】つぎに、この成形体を1650〜1950℃の窒素雰囲気中で公知の焼成により、焼結体密度が3.20g/cm3 以上となる条件で焼成緻密化する。焼成方法としては、ホットプレス法、常圧焼成、窒素ガス圧焼成、熱間静水圧焼成法など公知の手法を用いることができる。
【0024】
【実施例】窒化ケイ素(Si3 4 )粉末、各種の希土類元素酸化物(RE2 3 )、酸化アルミニウム(Al2 3 )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、スプレードライによって粒径が40〜200μmの造粒体を作製した。その後、0.3〜3トン/cm2 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Si3 4 粉末中の不純物酸素をSiO2 換算したものも含む。各成形体を炭化ケイ素質の匣鉢に入れ、カーボンヒータを用いて、常圧窒素中で焼成した。
【0025】成形体中にSi粉末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粉末を含む場合には、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。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。
【0026】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、ボイド分布状態を以下の方法で測定し、その結果を表3および表4に示した。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、アルキメデス法に基づく比重測定から求めた。強度は、JISR1601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。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。
【0027】摩耗試験として下記のとおり摩耗率を求める試験をおこなった。摩耗率については、60mm×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水を含んだSiC製GC#240番(80〜130μm)を噴射圧力2.5kg/cm2 で、3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。
【0028】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。
【0029】メデイア摩耗率については、φ10mmの試料体250g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摩耗率を求めた。
【0030】
【表1】

【0031】
【表2】

【0032】表1および表2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800MPa以上、靭性6.0MPa・m1/2 以上、硬度14.0GPa以上の機械的特性を、また摩耗率1.0%以下、メデイア摩耗率1.0%以下の摩耗特性が達成でき、アルミナ材(試料No.19)やジルコニア材(試料No.20)と比較しても大幅に摩耗率、メデイア摩耗率が低く、耐摩耗性に優れていた。
【0033】これに対して、組成範囲が本発明の範囲から逸脱する試料No.9〜No.13では摩耗率が著しく増加し、メデイア摩耗率も増大している。密度が3.05g/cm3 の試料No.14では摩耗率、メデイア摩耗率ともに著しく増大している。
【0034】また、成形条件や焼成条件により密度、ボイド分布が本発明の範囲から逸脱する試料No.15〜18においては、いずれも摩耗率およびメディア摩耗が大きく粉砕機用部材として満足できるものではなかった。
【0035】
【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、特定の組成に制御するとともに、さらに密度、気孔率、ボイド分布を制御することにより、優れた機械的特性を具備するとともに、粉砕機用部材としての耐摩耗性を向上させることができ、粉砕機用部材の長寿命化を達成することができる。




 

 


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