こんにちは、私はジェイクです。高性能産業用材料として人々に信頼されている炭化ケイ素サプライヤーの 1 つで技術責任者を務めています。顧客から「90% の炭化ケイ素の耐摩耗性の何が重要ですか?」と問い合わせがあったとき、それはわかります。ほとんどの素材は長期にわたるパフォーマンスを約束しますが、この素材のようにそれを裏付けるものは多くありません。長年このコンパウンドを扱い、採掘部品からポンプライナーに至るまであらゆるものでテストを行った結果、90% SiC の耐摩耗性がどのように優れているのかを、実験室から現場まで直接解明しています。
まず、準備として、簡単な基本事項を理解しましょう。炭化ケイ素は、古い業界関係者によってよく「カーボランダム」と呼ばれますよね。これは何十年も前から存在する超硬質のセラミックのような材料ですが、摩耗性の高い用途で頼りになるようになったのはつい最近のことです。具体的には、90% が炭化ケイ素であるということは、SiC 粒子が高密度に含まれていることを意味します (残りの 10% は主に、脆化させることなく全体を保持する結合材です)。カーボランダムの名前の由来について詳しく知りたい場合は、[シリコン カーバイド 別名「カーボランダム」] に簡単なタイムラインが記載されています。これは教科書の入門書よりもはるかに興味深いものです。実は、カーボランダムは 1800 年代に科学者がダイヤモンドを作ろうとしたときに偶然発明されたものです。
さて、耐摩耗性とは、硬度 (傷やへこみにどれだけ耐えられるか) と靭性 (傷や衝撃が起こったときにどれだけ亀裂が生じないか) という 2 つの大きな要素によって決まります。 90% SiC は両方の機能を備えており、標準的な鋼や低グレードのセラミック複合材よりもはるかに優れています。まずは基礎、つまり粒子構造から始めましょう。ここでは、材料中の SiC 粒子のサイズが大きな役割を果たします。粒子が大きすぎると、別の硬い表面にこすったときに欠ける可能性が高くなります。小さすぎると、摩耗に耐えるためにうまく噛み合いません。当社の標準的な 90% 炭化ケイ素は、バランスを考慮して調整された粒子サイズを使用しています。正確な仕様は、[炭化ケイ素粒子サイズ 0-10.html] で確認できます。そこでは、精密仕上げ部品から頑丈な採掘装置に至るまで、あらゆるものに適合するようにグレーディングを調整しています。
待ってください。すべてのウェアが同じではないため、ここで「ウェア」が実際に何を意味するのかを具体的に説明しましょう。摩耗には、摩耗（小さな粒子が部品を引っ掻いて削る場合）、凝着摩耗（2 つの表面がくっついて材料が剥がれる場合）、および衝撃摩耗（重い荷重が繰り返し部品に当たる場合）があります。 90% の SiC はこれら 3 つをすべて満たしており、それが実際の使用において重要である理由がここにあります。摩耗は、工業用部品にとって最も一般的な悩みの種です。砂利を移動させるコンベア ベルト、砂スラリーを移動させるポンプ、さらには岩石の破片を扱う石油やガスの操業におけるバルブ コンポーネントを思い浮かべてください。 90% SiC のビッカース硬度は約 2,500 ～ 2,800 GPa で、これは炭素鋼 (約 800 GPa) のほぼ 3 倍の硬さです。つまり、小さな石や鉱物の粒子が 90% SiC 部品に衝突した場合、スチールライナーに衝突した場合よりも傷が残る可能性がはるかに低くなります。鉱山業界の顧客がスチール製ポンプ インペラを当社の 90% SiC 製インペラに交換したところ、18 か月で交換コストが 70% 削減されました。これは私が何もないところから導き出した数字ではありません。私たちはその内容を綿密に追跡しており、その顧客の話はセメント加工で使用される部品についても繰り返されています。
粘着摩耗も安価な材料をつまずかせるもう一つの原因です。 2 つの金属表面が圧力下で擦れ合うと、小さな金属片が一方の部分からもう一方の部分に移動し、焼き付きや徐々に故障が発生する可能性があります。通常、セラミック材料は摩擦係数が低いため、この点で優れていますが、すべてのセラミックが同じように作られているわけではありません。 90% の炭化ケイ素の低い熱膨張も役に立ちます。部品が熱くなっても (摩耗の激しい環境ではよくあることです)、部品は金属ほど膨張しないため、部品間の隙間が一定に保たれ、表面がくっつく可能性が減ります。 90% SiC を他のグレードの炭化ケイ素と混同する人もいます。そのため、カーボン強化 SiC と当社の標準 90％ バージョンの違いに興味がある場合は、[カーボン 炭化ケイ素] が材料の剛性を保ちながら、当社の結合剤がどのように耐摩耗性を犠牲にしないのかを詳しく説明します。
多くのセラミックスでは衝撃摩耗が問題となります。セラミックスは非常に硬いですが脆いため、大きな衝撃を受けると部品全体が割れる可能性があります。 90% の SiC が非常にスイート スポットである理由はここにあります。10% の結合相 (通常はシリコンとカーボンの混合物、またはセラミック結合剤) がこれらの衝撃に対して「衝撃吸収材」のように機能します。私たちはこれをラボで常にテストしています。1 kg の鋼球を 2 メートルの高さからテストサンプルに落とします。90% SiC 部品にはほとんど表面痕跡がありませんが、粒度の低い SiC または純粋なセラミック部品にはひび割れや欠けがよくあります。建設業界のお客様は、粉砕機の供給シュートに当社の 90% SiC 摩耗プレートを使用しており、プレートの交換頻度は 2 週間ごとから 6 か月ごとになったとのことです。それが、日常的な衝撃に耐えられる素材とそうでない素材の違いです。
しかし、待ってください。それは組成だけではありません。90% の炭化ケイ素をどのように加工するかも重要ですよね。正しく機械加工を行わないと、表面に小さな欠陥が生じ、それが摩耗点となり、故障が早くなる可能性があります。私たちのチームは、機械加工プロセスの改良に何年も費やしてきました。[炭化ケイ素機械加工] では、材料の耐摩耗性を高める滑らかで欠陥のない表面を得るために、ダイヤモンド工具と精密研削をどのように使用するかについて詳しく説明しています。たとえば、小さな亀裂のある粗い表面は研磨粒子を捕捉し、磨かれた滑らかな表面よりもはるかに早く摩耗します。そのため、機械加工のステップは単に適合させるだけではなく、長持ちさせることも重要です。
ここで、実際のアプリケーションについて話しましょう。それは、実際に耐摩耗性が現れるからです。当社はポンプ ライナー用に 90% SiC を 1 トン販売しています。特に、砂、シルト、化学物質が含まれたスラリーが常に存在する鉱山および廃水処理用です。また、ブルドーザーのブレードや掘削機のバケット用の摩耗タイル、さらには風で吹き飛ばされる粉塵に対処する風力タービンのコンポーネント用の部品も供給しています。私たちがよく受ける質問は、「90% SiC は鉄と比べて追加コストを払う価値があるのか?」というものです。簡単に計算してみましょう。スチール製インペラのコストは 1 つあたり 200 ドルで、寿命は 6 か月ですが、当社の 90% SiC インペラのコストは 1 つあたり 500 ドルで、寿命は 3 年です。 5 年間で、スチール製インペラ 10 個 (2,000 ドル) と SiC 製インペラ 2 個 (1,000 ドル) に相当し、コストが半分になり、交換にかかるダウンタイムも大幅に短縮されます。ちなみに、ダウンタイムは工業作業における隠れた巨額のコストです。ポンプが 8 時間停止すると、生産の損失となり、部品そのものよりもはるかに大きな損失になります。
90% SiC の耐摩耗性をユニークなものにしているもう 1 つの点は、単純な摩耗だけでなく、過酷な条件にも耐えられる点です。高温環境 (最大 1,600°C、これはほとんどの金属部品が軟化せずに処理できる温度よりもはるかに高温) と腐食環境 (酸、塩基、塩水) の両方で機能します。オフショア石油業界の顧客は当社の 90% SiC バルブ シートを使用しており、北海の海水と砂が金属シートを 3 か月で食い込んでいたとのことですが、当社の SiC シートは 2 年以上持続しました。これもまた利点です。材料が乾燥した衝撃の少ない用途にのみ適している場合、それほど有用ではありませんが、90% SiC は多用途に使えるからです。
ちょっと待ってください、よくある誤解に対処しましょう。耐摩耗性に関しては、「炭化ケイ素の割合が高いほど常に優れている」と考える人がいます。それは真実ではありません。 98% SiC になると、材料はさらに脆くなり、より硬くなる可能性がありますが、重い物体を落とすと割れてしまい、衝撃の多い環境では役に立たなくなります。硬度と靭性のバランスが取れているため、90％がスイートスポットとなり、摩耗と衝撃の両方に対応できます。そのため、実際のパフォーマンスを実現できない高いパーセンテージを追求するのではなく、ほとんどの産業用摩耗用途でこのグレードにこだわるのです。
メンテナンスについてもお話しましょう。それは長期間着用する上で大きな部分を占めるからです。 90% SiC で作られた部品は特別なメンテナンスを必要としません。他の摩耗部品と同じように検査するだけで済みます。また、部品の寿命が非常に長いため、交換のために機器を頻繁に停止する必要がありません。当社のセメント業界の長期顧客の 1 人は、当社の 90% SiC 摩耗部品に切り替えることで、メンテナンスの人件費が初年度だけで 40% 削減されたと語ってくれました。多くの場合、部品自体よりも人件費の方が高価であるため、これは大きな問題です。
さて、これを読んで、「部品の摩耗が早すぎる用途があるのですが、90% の炭化ケイ素が役立つのではないか」と考えているなら、私がここでお客様のニーズに合わせてカスタマイズできることをお伝えしたいと思います。当社では、万能の 90% SiC を販売しているわけではありません。お客様の使用用途に応じて、粒子サイズ、バインダーの混合物、さらには表面仕上げまで調整します。たとえば、細かい研磨剤スラリー用の部品が必要な場合は、より小さな SiC 粒子を使用します。また、激しい採掘衝撃に対応する場合は、より強力な結合剤を使用したわずかに大きな粒径を使用します。 90% の炭化ケイ素がさまざまな業界で使用されているさまざまな方法について詳しく知りたい場合は、[炭化ケイ素パウダーの用途] に詳細な内訳が記載されていますが、特定の使用例がある場合は、遠慮せずにお問い合わせください。
私はこのビジネスに 12 年間携わっており、多くの材料が移り変わっていくのを見てきましたが、90% SiC の耐摩耗性は常に宣伝文句を実現している数少ない材料の 1 つです。これは単なる「より良いセラミック」ではありません。数か月ごとに部品を交換し、ダウンタイムに対処し、メンテナンス費用を浪費することにうんざりしている人々にとって、本当の問題を解決する素材です。ここで重要なのは、バランスがすべてだということです。90% SiC は、傷に強い硬度、衝撃に耐える靭性、そして耐摩耗性を持続させるための適切な加工と粒子サイズを備えています。
摩耗した部品の交換をやめてコストを節約する準備ができている場合は、当社のチームに連絡してプロジェクトについて話し合ってください。当社はテストサンプルをお送りし、仕様を詳しく説明し、90% の炭化ケイ素がお客様の用途に適しているかどうかを判断するお手伝いをいたします。セールストークはなく、何百ものお客様の現場で効果があるのを私たちが見てきたことに基づいた正直なアドバイスだけです。
参考文献
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- ミラー、TR (2020)。産業用ポンプ システム用の炭化ケイ素摩耗コンポーネントの費用対効果の分析。インダストリアルメンテナンスマガジン、14(5)、18-22。
- Zhang、L.ら。 （2019年）。シリコンカーボンバインダーを使用した 90% シリコンカーバイド複合材料の耐衝撃性。欧州セラミック協会ジャーナル、39(15)、4689-4697。
