従来の耐摩耗性材料の欠点
実際、鉄鋼は耐摩耗性材料として古くから広く使用されてきました。マンガン鋼、白鋳鉄、合金鋼などが広く使用されています。しかし、これらの材料には一定の欠点があります。例えば、オーステナイト系マンガン鋼は優れた靭性を誇りますが、加工が困難です。普通白鋳鉄と低合金白鋳鉄は硬度と耐摩耗性に優れていますが、脆性が高いため、軽荷重用途に限られます。中合金白鋳鉄と高合金白鋳鉄は脆性の問題を克服しましたが、製造コストが大幅に高くなります。
摩耗、腐食、破損は、冶金、建設、電力、機械などの分野で広く発生している設備部品の故障の主な原因です。これらの要因の中で、摩耗は部品に最も深刻な影響を与えます。特に輸送機器では、材料の摩耗が部品故障の約80%を占めており、従来の耐摩耗性材料では過酷な使用条件下でのサービス要件を満たせなくなっています。
1980年代には、ホウ化物、炭化物、窒化物といった耐摩耗性セラミック材料が徐々に登場し、世界各国が関連研究に多大な資源を投入しました。研究の深化に伴い、これらの新型耐摩耗性セラミック材料は優れた性能により、産業機器やパイプラインへの応用がますます広がり、従来の金属材料に取って代わることで、機器の耐用年数と連続運転能力を大幅に向上させました。
耐摩耗性工業用セラミックスの特性と特徴
工業用セラミック材料は、主に以下の重要な特性と特徴により、耐摩耗性分野で重要な地位を確立しています。
（１）硬度と強度が高い
（2）優れた耐摩耗性と長寿命。試験結果では、耐摩耗性はマンガン鋼の180倍、高クロム鋳鋼の118倍であることが実証されています。
（３）高い耐衝撃性
（4）耐熱性。強固な接着力と優れた耐熱性。
（５）軽量。耐摩耗セラミックスの密度は約3.6g/cm³で、鋼鉄の半分の軽さであり、機器への負荷を大幅に軽減できます。
（6）幅広い応用範囲と強力な適応性粉砕、石炭準備、材料搬送、灰排出、除塵などのシステムにおけるあらゆる摩耗集中型機械設備の特定の要件に応じて、さまざまな種類の工業用セラミック材料を選択できます。これらの材料は、火力発電所、製鉄所、製錬所、鉱山、セメント工場などの企業で広く使用されています。
耐摩耗性工業用セラミックスの分類
材料別に分類すると、一般的な耐摩耗性工業用セラミック材料には、主に酸化物セラミック、炭化物セラミック、窒化物セラミックが含まれます。
（1）酸化物耐摩耗性工業用セラミックス
耐摩耗部品の製造材料の中でも、アルミナセラミックスは耐摩耗性工業用セラミックスの代表的な材料として際立っています。高い硬度、優れた化学的安定性、そして卓越した耐摩耗性により、アルミナセラミックスは冶金、石油化学、航空宇宙などの分野で広く使用されています。しかし、破壊靭性が比較的低く、耐熱衝撃性にも劣るため、特に材料の機械的特性に対する要求が厳しい産業分野での応用は限定的でした。アルミナセラミックスに一定量の他の化合物を導入することで、靭性を効果的に高め、耐摩耗性をさらに向上させることができます。そのため、現在、アルミナ基複合セラミックスが主要な研究開発分野となっています。
（２）窒化物耐摩耗セラミックス
窒化物セラミックスは比較的遅く誕生し、1970年代まで急速な発展を遂げませんでした。そのほとんどが人工合成によって製造されています。高強度・高硬度に加え、優れた電気的特性と熱的特性も備えています。数十年にわたる開発を経て、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの窒化物セラミックスは、航空宇宙、機械、冶金などの分野で、高強度機械部品、耐腐食部品、耐摩耗部品として広く利用されています。
（３）炭化耐摩耗セラミック
炭化ホウ素セラミックスは極めて安定した化学的性質を示し、その硬度はダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（CBN）に次ぐ高硬度です。優れた耐摩耗性・耐摩擦性材料として、研磨材、ベアリング、シールリング、切削工具など幅広い用途が期待されています。しかしながら、炭化ホウ素セラミックスのトライボロジー特性は、温度、荷重、摩擦速度、摩擦相手材の材質に大きく影響されるため、実際の用途では使用条件や環境要因を十分に考慮する必要があります。
