JP2010052963A

JP2010052963A - 窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法

Info

Publication number: JP2010052963A
Application number: JP2008217541A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Sudo; 英一須藤; Tomihiro Uchida; 富大内田
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-11
Also published as: WO2010023813A1; CN102131748A

Abstract

【課題】耐熱衝撃性に優れた窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法は、扁平粒子のＳｉＣ粉末と、Ｓｉ粉末と、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物から選択された少なくとも１種とを混合する工程を有することを特徴とし、前記ＳｉＣ粉末の初期かさ密度は、１．４０〜１．５５ｇ／ｃｍ^３であるのが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、焼成用治具などに用いるのに好適な窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法に関する。

ＳｉＣ（炭化珪素）耐火物は、耐熱性及び耐火性に優れており、砥石、衛生陶器などの窯業製品を焼成するための焼成用治具などとして用いられている。
なかでも、ＳｉＣをＳｉ_３Ｎ_４やＳｉ_２Ｎ_２Ｏで結合した窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物は、耐熱衝撃性及び耐酸化性に優れ、高熱伝導性などの物性を有することなどから焼成用治具などに用いられることが多い。

このような窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物としては、ＳｉＣを主相とし、Ｓｉ_３Ｎ_４及びＳｉ_２Ｎ_２Ｏを副相とし、曲げ強度が１５０ＭＰａ以上であり、かつ嵩比重が２．６以上であるものが開発されている（下記特許文献１参照）。

特開２００５−８２４５１号公報

焼成用治具は、急激な温度変化に晒されるため、熱衝撃により短期間で破損しやすいという問題があり、この問題を解決するため窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物のさらなる物性の向上が求められている。
さらに、焼成用治具は、大型化したものが求められている。このような大型化にともなう厚肉化により、作業効率、生産性の低下が懸念されていた。また、小型のものと比較して熱衝撃に弱くなり、割れやすくなる。割れた場合は、多数の製品が破壊され、損害も大きくなる。

そこで、本発明の目的は、耐熱衝撃性に優れ、特に大型化した焼成用治具などに用いるのに好適な窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法を提供することにある。

本発明の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法は、扁平粒子のＳｉＣ粉末と、Ｓｉ粉末と、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物から選択された少なくとも１種とを混合する工程を有することを特徴とする。

上記窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法において、前記ＳｉＣ粉末の初期かさ密度は、１．３０〜１．６５ｇ／ｃｍ^３とするのが好ましく、また、前記ＳｉＣ粉末は、粒径３００μｍ以下に選別されたものであるのが好ましい。

上記窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法において、前記ＳｉＣ粉末のＳｉＣ純度は、９５％以上とするのが好ましい。

本発明の製造方法では、扁平粒子のＳｉＣ粉末を用いることにより、耐熱衝撃性に優れた窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物を製造することができ、焼成用治具などを大型化することができる。

なお、本発明でいう「扁平粒子」とは、外形が楕円乃至長円などの円形や、三角形、五角形などの多角形の平面状の粒子をいい、好ましくは厚み≦周囲長×１／１０、さらに好ましくは周囲長×１／２０の関係を有するものをいう。

以下、本発明の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法の好適な実施形態を説明する。なお、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。

本発明の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法は、原料として扁平粒子のＳｉＣ粉末を用いたことを特徴とするものであり、従来行なわれているＳｉＣ耐火物の製造方法、例えば、原料混合、成形、焼成などの工程を経るＳｉＣ耐火物の製造方法を採用することができる。

（原料混合）
原料としては、扁平粒子のＳｉＣ粉末と、Ｓｉ粉末と、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物から選択された少なくとも１種とを用いることができる。

扁平粒子のＳｉＣ粉末は、市販の扁平粒子のＳｉＣ粉末を用いることができ、初期かさ密度が１．３０〜１．６５ｇ／ｃｍ^３、好ましくは１．４０〜１．５５ｇ／ｃｍ^３のものを用いることができる。
さらに、扁平粒子のＳｉＣ粉末は、篩により粒径３００μｍ以下、特に４５〜１５０μｍに選別されたものを用いるのが好ましい。特に、扁平粒子のＳｉＣ粉末は、初期かさ密度が１．４０〜１．５５ｇ／ｃｍ^３の扁平粒子のＳｉＣ粉末を、篩により粒径３００μｍ以下に選別し、このうち粒径４５〜１５０μｍのＳｉＣ粉末を７０．０〜９０．０重量％含むものが好ましい。
なお、初期かさ密度は、ＪＩＳＲ１６２８に基づいて測定することができ、粒子を突き固めない状態での密度である。

原料に、塊状粒子のＳｉＣ粉末を混合してもよく、この塊状粒子のＳｉＣ粉末の平均粒径は０．５〜６．０μｍ、特に１．０〜４．０μｍとするのが好ましい。塊状粒子のＳｉＣ粉末を混合する場合、扁平粒子のＳｉＣ粉末と塊状粒子のＳｉＣ粉末との混合比率は、５０：５０〜７５：２５にするのが好ましい。
なお、扁平粒子のＳｉＣ粉末及び塊状粒子のＳｉＣ粉末の純度は、９５％以上、特に９８％以上とするのが好ましく、９９．９９％以下とするのが好ましい。

Ｓｉ粉末の平均粒径は、１．０〜５．０μｍ、特に１．５〜３．５μｍとするのが好ましい。
酸化物は、具体的にはＡｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３などがあり、特にＡｌ_２Ｏ_３が好ましい。平均粒径は０．１〜５．０μｍ、特に０．５〜３．０μｍとするのが好ましい。
なお、本発明でいう平均粒径は、平均粒径が４５μｍ以上のものについては、振動篩いを用いるロータップ法により測定し、平均粒径が４５μｍ未満のものについては、レーザー回折法により測定することができる。

混合割合は、ＳｉＣ粉末６０．０〜９０．０重量部、Ｓｉ粉末８．０〜２５．０重量部、酸化物１．０〜１０．０重量部、特に、ＳｉＣ粉末７０．０〜８５．０重量部、Ｓｉ粉末１０．０〜２０．０重量部、酸化物３．０〜８．０重量部とするのが好ましい。
混合は、原料粉末を、分散剤を用いて水中に分散させ、ボールミルなどの従来公知の方法で行なうことができる。ボールミルでは、粒子同士の凝集を防止するため、又は凝集体を解砕するため、或いは粉砕を行うためなどを目的として、アルミナ又はジルコニアボールなどを用いるのが好ましい。

（成形）
上記混合した原料を成形する。成形は、鋳込み成形、押出成形、プレス成形など従来公知の方法で行なうことができる。
鋳込み成形の場合は、原料粉末・水・分散剤を混合し（必要であれば粉砕もし）、スラリーを調製して鋳込み成形を行うことができる。
押出成形の場合は、原料粉末・水・分散剤にメチルセルロースやグリセリンなどの可塑剤を混合し（必要であれば粉砕もし）、三本ロールなどでさらに練り込み、押出成形機を用いて押出成形を行うことができる。
プレス成形の場合は、原料粉末・水・分散剤を混合し（必要であれば粉砕もし）、スラリー調製の後、噴霧乾燥などにより顆粒を調整し、プレス成形を行うことができる。
これら成形方法の中では、鋳込み成形が原料の充填性を高める観点から好ましい。

（焼成）
上記成形したものを７０〜１００℃で乾燥させ、焼成する。焼成は、まず、窒素雰囲気下で行い、次に、大気中で行なうのが好ましい。
窒素雰囲気下での焼成は、１１００〜１４５０℃、特に１３００〜１４３０℃で、５〜１３時間、特に７〜１１時間行なうのが好ましい。
このような温度・時間で焼成を行うと、ＳｉＣの窒化反応により、ＳｉＣ粒子同士が結合して窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物を得ることができる。
大気中での焼成は、１３５０〜１５００℃、特に１４００〜１４５０℃で、１０〜２０時間、特に１２〜１８時間行なうのが好ましい。
このような温度・時間で焼成を行うと、表面に適度にＳｉＯ_２酸化膜を形成し、耐熱衝撃性のみならず耐酸化性に優れた窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物を得ることができる。

このように製造された窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物は、従来と比較して耐熱衝撃性に優れたものになる。

以下、本発明を実施例に基づいて、より具体的に説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
純度約９８％で初期かさ密度が１．５０ｇ／ｃｍ^３、粒径３００μｍ以下の扁平粒子のＳｉＣ粉末を用いた。このＳｉＣ粉末は、４５〜１５０μｍの粉末を８０重量％含むものであった。
この選別したＳｉＣ粉末４５．０重量部と、平均粒径２μｍの球状粒子のＳｉＣ粉末３５．０重量部と、平均粒径２μｍのＳｉ粉末１５．０重量部と、平均粒径１．８μｍのＡｌ_２Ｏ_３５．０重量部とを混合し、この混合物を、７００ｍｍ×７００ｍｍ×８ｍｍの大きさに鋳込み成形し、得られた成形体を１００℃で乾燥させた。
乾燥させた成形体を、窒素雰囲気中１４００℃、１０時間で焼成し、次に、大気中１４５０℃、１５時間で焼成し、この焼成物を実施例１の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物とした。

（実施例２）
実施例１の扁平粒子のＳｉＣ粉末４５．０重量部と、平均粒径２μｍの球状粒子のＳｉＣ粉末３５．０重量部と、平均粒径２μｍのＳｉ粉末１５．０重量部と、平均粒径１．８μｍのＡｌ_２Ｏ_３４．０重量部と、平均粒径２．０μｍのＦｅ_２Ｏ_３１．０重量部とを混合し、この混合物を、７００ｍｍ×７００ｍｍ×８ｍｍの大きさに鋳込み成形し、得られた成形体を１００℃で乾燥させた。
乾燥させた成形体を、窒素雰囲気中１４００℃、１０時間で焼成し、次に、大気中１４５０℃、１５時間で焼成し、この焼成物を実施例２の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物とした。

（比較例１）
純度約９８％で初期かさ密度が１．７０ｇ／ｃｍ^３、粒径３００μｍ以下の塊状粒子のＳｉＣ粉末を用いた。このＳｉＣ粉末は４５〜１５０μｍの粉末を８０．０重量％含むものであった。
この選別したＳｉＣ粉末４５．０重量部と、平均粒径２μｍの塊状粒子のＳｉＣ粉末３５．０重量部と、平均粒径２μｍのＳｉ粉末１５．０重量部と、平均粒径１．８μｍのＡｌ_２Ｏ_３５．０重量部とを混合し、この混合物を、７００ｍｍ×７００ｍｍ×８ｍｍの大きさに鋳込み成形し、得られた成形体を１００℃で乾燥させた。
乾燥させた成形体を、窒素雰囲気中１４００℃、１０時間で焼成し、次に、大気中１４５０℃、１５時間で焼成し、この焼成物を比較例１の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物とした。

（比較例２）
比較例１の塊状粒子のＳｉＣ粉末４５．０重量部と、平均粒径２μｍの球状粒子のＳｉＣ粉末３５．０重量部と、平均粒径２μｍのＳｉ粉末１５．０重量部と、平均粒径２．０μｍのＡｌ_２Ｏ_３５．０重量部と、平均粒径２．０μｍのＦｅ_２Ｏ_３１．０重量部とを混合し、この混合物を、７００ｍｍ×７００ｍｍ×８ｍｍの大きさに鋳込み成形し、得られた成形体を１００℃で乾燥させた。
乾燥させた成形体を、窒素雰囲気中１４００℃、１０時間で焼成し、次に、大気中１４５０℃、１５時間で焼成し、この焼成物を比較例２の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物とした。

（評価試験）
実施例１，２及び比較例１，２の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物を用い、ＪＩＳＲ１６４８に基づき耐熱衝撃性の試験を行なった。
耐熱衝撃性の試験は、以下のように行ない、割れ、亀裂のどちらかが確認できた温度を耐熱衝撃性の温度とした。
１０００℃の炉中に各サンプルを１時間保持した後、炉内を２００℃／ｈｒで７５０℃に冷却し、７５０℃で１時間保持したサンプルを室温中に取り出し、割れ・亀裂の有無を確認した。
このとき割れ・亀裂が確認できない場合は、さらにそのサンプルを１０００℃の炉中に１時間保持した後、炉内を２００℃／ｈｒで８００℃に冷却し、８００℃で１時間保持したサンプルを室温中に取り出し、割れ・亀裂の有無を確認した。
このとき割れ・亀裂が確認できない場合は、さらにそのサンプルを１０００℃の炉中に１時間保持した後、炉内を２００℃／ｈｒで８５０℃に冷却し、８５０℃で１時間保持したサンプルを室温中に取り出し、割れ・亀裂の有無を確認した。
このとき割れ・亀裂が確認できない場合は、さらにそのサンプルを１０００℃の炉中に１時間保持した後、炉内を２００℃／ｈｒで９００℃に冷却し、９００℃で１時間保持したサンプルを室温中に取り出し、割れ・亀裂の有無を確認した。
このとき割れ・亀裂が確認できない場合は、さらにそのサンプルを１０００℃の炉中に１時間保持した後、炉内を２００℃／ｈｒで９５０℃に冷却し、９５０℃で１時間保持したサンプルを室温中に取り出し、割れ・亀裂の有無を確認した。

（試験結果）
実施例１，２は、いずれの温度でも、割れ、亀裂は確認できず、耐熱衝撃性に優れているものであった。
比較例１，２は、７５０℃に冷却後のものに、割れ、亀裂が確認された。

従来では、耐熱衝撃性は７５０℃が限界であったが、本発明の製造方法で製造した窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物は、耐熱衝撃性は９５０℃になり、耐熱衝撃性に優れ、大型化した焼成用治具などにするのに適したものである。

Claims

扁平粒子のＳｉＣ粉末と、Ｓｉ粉末と、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物から選択された少なくとも１種とを混合する工程を有する窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法。
前記ＳｉＣ粉末の初期かさ密度が１．３０〜１．６５ｇ／ｃｍ^３である請求項１に記載の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法。
前記ＳｉＣ粉末は、粒径３００μｍ以下に選別されたものである請求項１又は２に記載の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法。
前記ＳｉＣ粉末のＳｉＣ純度が９５％以上である請求項１〜３のいずれかに記載の窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物の製造方法。