JP2883003B2

JP2883003B2 - セラミックス接合体の製造方法

Info

Publication number: JP2883003B2
Application number: JP13854494A
Authority: JP
Inventors: 俊広吉田; 敬一郎渡邊; 満服部
Original assignee: NIPPON GAISHI KK
Current assignee: NIPPON GAISHI KK
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1999-04-19
Anticipated expiration: 2014-04-19
Also published as: JPH0812458A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス多孔板と
セラミックス管状体との接合体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスは、その成分組成が酸化
物、非酸化物に拘らず、高度の耐熱・断熱性が有り、絶
縁性、導電性、磁気的・誘電的性質等の電気的・電子的
機能を有し、また、耐摩耗性等の機械的性質にも優れ、
各種構造物の材料として既に使用され研究開発されてい
る。セラミックスを機械部品材料や構造物材料として使
用する場合、種々の形状の機械部品や構造部材が要求さ
れ、また各部品や部材の組み合わせも求められることに
なり、一体成形により製造されるものは別として、あら
ゆる部分においてセラミックスを接合固定する必要が生
じる。

【０００３】各種の部品・部材の中でも平板状部材と他
形状の部材とを組み合わせた接合体は、機械部品や構造
部材として多く使用され、平板に複数の貫通孔を穿ち管
状体を貫通固定して使う例も多い。例えば、多管式熱交
換器などには、平行に並んだ複数のセラミックス管状体
の両端部付近に、これらセラミックス管状体を挿通し固
定するための複数の貫通孔が形成された多孔板が接合固
定された部材が使用されている。

【０００４】このような複数の管状体の両端部付近に多
孔板が接合されたセラミックス接合体を製造する方法と
して、図４に示すような複数の貫通孔３を有するセラミ
ックス未焼結体である多孔板１の各々の貫通孔に、セラ
ミックス焼結体である管状体の端部を挿入した状態で加
熱焼成し、両者の焼成収縮率の差を利用して一体的に接
合する方法（以下、このような焼成収縮率の差を利用し
た接合を「焼成接合」という）が知られている。すなわ
ち、大きな焼成収縮率を有するセラミックス未焼結体で
ある多孔板が、加熱焼成過程で収縮して管状体を締め付
けることにより接合状態が得られ、両者が一体化する。

【０００５】そして、この場合の加熱焼成は、管状体を
床面に対して垂直になるように立て、治具を用いること
により、管状体の上下両端部付近にそれぞれ多孔板が位
置決めされた状態にて行われるが、この際、製品の変形
を防止するためトチを敷き、このトチの上に被焼成物を
載置して行うのが通常である。しかし、管状体の下端部
付近に位置決めされた多孔板（以下、「下側多孔板」と
いう）がトチと直接接触した状態で焼成接合を行うと、
この下側多孔板と、トチと接触していない管状体の上端
部付近に位置決めされた多孔板（以下、「上側多孔板」
という）とで、焼成条件に差が生じることとなり、これ
によって上端の接合部と下端の接合部とで接合のタイミ
ングにズレが生じるなどした場合には、多孔板の反りや
割れ、管状体の変形、接合部気密性の劣化などの問題が
発生する。

【０００６】そこで、本発明者らは焼成接合時における
トチからの熱的影響を回避する観点から、図５に示すよ
うに下側多孔板１ｂとトチ１２との間に治具５ｂを介在
させて、これらの間に所定の間隔を設け、下側多孔板１
ｂとトチ１２とが直接接触しないよう分離した状態で加
熱焼成を行う方法を案出した。図５において、２は管状
体、１ａは上側多孔板、１ｂは下側多孔板、５ａは上側
多孔板１ａを管状体２の上端部付近に位置決めするため
上側多孔板１ａと下側多孔板１ｂとの間に挿入した治
具、５ｂは下側多孔板１ｂとトチ１２とが直接接触しな
いようこれらの間に介在させた治具である。管状体２は
下側多孔板１ｂとトチ１２との間に設ける間隔を見込ん
で長めに形成してあり、トチ１２は管状体２の下端面と
治具５ｂの下端面とに接触した状態で、これらを受けて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６は上記
した従来法の要部を拡大して示す説明図であり、図６
(ａ)は管状体２と下側多孔板１ｂとの接合が開始した時
点の状況を示し、図６(ｂ)は下側多孔板１ｂの焼成収縮
が更に進んで、より強固な接合状態の形成が進行した状
況を示している。未焼結体である下側多孔板１ｂは、図
６(ａ)に示す接合開始時点から×印で示した接合点Ａを
中心に厚さ方向の収縮をして行くが、焼結体からなる管
状体２はほとんど焼成収縮しないので、接合点Ａからト
チ１２と接触している管状体２の下端面までの長さｈ
は、図６(ａ)から(ｂ)への接合状態形成過程を通じてほ
とんど変化しない。

【０００８】一方、下側多孔板１ｂの下面から管状体２
の下端面までの長さ（管状体２の下側多孔板１ｂから下
方に突出している部分の長さ）ｇは、図６(ａ)の接合開
始時には治具５ｂの長さ（高さ）と一致しているが、下
側多孔板１ｂの焼成収縮が進んでその厚みが薄くなるに
つれて、図６(ｂ)のように治具５ｂの長さを超えて長く
なる。そして、この結果、下側多孔板１ｂへの治具５ａ
の荷重などによって、接合部付近に過大な応力が発生
し、焼成接合過程の途中で接合点Ａ付近から多孔板１ｂ
に割れが生じ易いという問題があった。本発明は、この
ような従来技術の問題点を解消することを目的としてな
されたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数の
貫通孔を有するセラミックス未焼結体である多孔板の各
々の貫通孔に、セラミックス焼結体である管状体を挿入
し、該管状体を床面に対して垂直に立て、該管状体の上
下両端部付近にそれぞれ多孔板が位置決めされた状態で
加熱焼成し、両者の焼成収縮率の差を利用して一体的に
接合することにより、平行に並んだ複数の管状体の両端
部付近に多孔板が接合されたセラミックス接合体を製造
する方法において、治具を介在させることにより、管状
体の下端部付近に位置決めされた多孔板の下に所定の間
隔を設けて、第一トチ及び第二トチを設置し、上記第一
トチは、上記治具の下端面と接触した状態でこれを受
け、上記第二トチは、上記第一トチ上に載置されて、上
記管状体の下端面と接触した状態でこれを受け、このよ
うな状態にて加熱焼成を行うことを特徴とするセラミッ
クス接合体の製造方法、が提供される。なお、本発明に
おいて、「セラミックス未焼結体」とは、セラミックス
の成形体（生素地）又は仮焼体（仮焼素地）を意味す
る。

【００１０】

【作用】本発明の方法は、上述した従来法のように、下
側多孔板とトチとを分離させるための治具と、管状体と
を、均一な厚みを有する１枚のトチで受けるのではな
く、図１に示すように、治具５ｂの下端面に接触した状
態でこれを受ける第一トチ４の上に、管状体２の下端面
に接触した状態でこれ受ける第二トチ６を載置するもの
である。

【００１１】図２は本発明の方法の要部を拡大して示す
説明図であり、図２(ａ)は管状体２と下側多孔板１ｂの
接合が開始した時点の状況を示し、図２(ｂ)は下側多孔
板１ｂの焼成収縮が更に進んで、より強固な接合状態の
形成が進行した状況を示している。未焼結体である下側
多孔板１ｂは、図２(ａ)に示す接合開始時点から×印で
示した接合点Ａを中心に厚さ方向の収縮をして行くが、
焼結体からなる管状体２はほとんど焼成収縮しないの
で、接合点Ａから第二トチ６と接触している管状体２の
下端面までの長さｆは、図２(ａ)から(ｂ)への接合状態
形成過程を通じてほとんど変化しない。

【００１２】一方、下側多孔板１ｂの下面から管状体２
の下端面までの長さ（管状体２の下側多孔板１ｂから下
方に突出している部分の長さ）ｅは、下側多孔板１ｂの
焼成収縮が進んでその厚みＤが薄くなるつれて長くなる
が、同時に未焼結体である第二トチ６が焼成収縮してい
るので、ｅが長くなった分に見合うだけ第二トチ６の厚
みｄが薄く（短く）なり、ｅとｄの合計の長さは治具５
ｂの長さ（高さ）を超えることがない。したがって、従
来法のように焼成接合過程の途中で接合部付近に過大な
応力が発生し、多孔板に割れが生じるという事態を防ぐ
ことができる。下側多孔板１ｂの下方に突出した管状体
２の下端部分は、加熱焼成による接合完了後、所望によ
り切除すればよい。

【００１３】なお、本発明においては、下側多孔板１ｂ
と第二トチ６とが同等の焼成収縮率を有し、下側多孔板
１ｂの厚みをＤ、第二トチ６の厚みをｄとしたとき、こ
れらが加熱焼成前において、０．５＜ｄ／Ｄ＜０．６の
関係を満たすものであることが好ましい。これらが０．
５≧ｄ／Ｄの関係となる場合には、図２における、焼成
接合の進行に伴う長さｅの伸び分を、第二トチ６の焼成
収縮によるその厚みｄの収縮で吸収しきれず、下側多孔
板の割れを有効に防止することが難しい。一方、０．６
≦ｄ／Ｄの関係となる場合には、長さｅの伸び分を超え
て第二トチ６の厚みｄが薄くなりすぎるため、管状体２
の下端面と第二トチ６との隙間が開きすぎて、管状体及
び多孔板の変形が起き易い。

【００１４】また、本発明においては、第一トチと第二
トチとが必ずしも別体である必要はなく、両者が一体的
に形成されたもの、すなわち、管状体の下端面と接触す
る部分の厚みが、治具の下端面と接触する部分の厚みに
比して、所定分（第二トチの厚みに相当する分）厚くな
った１枚のトチであってもよい。

【００１５】下側多孔板と第一トチとの分離間隔、すな
わち、これらの間に介在させる治具の長さ（高さ）は、
１０mm以上とすることが、焼成過程におけるトチからの
熱的影響を効果的に回避する観点から好ましい。治具の
素材としては、焼成温度で軟化しないものが好ましく、
また、治具は軽量化のため中空状とすることが望まし
い。

【００１６】本発明において接合体の素材に使用される
セラミックスとしては、酸化物及び非酸化物のいずれの
セラミックスを用いてもよく、接合体が使用される構造
部材の種類、機械的強度等必要な使用条件に応じ適宜選
択すればよい。例えば、エンジン、産業機械及び熱交換
器等に使用する場合は、高強度・高耐熱性の窒化珪素や
炭化珪素が用いられる。また、多孔板の形状、厚み、大
きさ、多孔板に設けられる貫通孔の数や配置などは特に
制限されず、使用目的、条件等にあわせて適宜選択すれ
ばよい。多孔板の貫通孔は、多孔板の基本形状となる板
状体の成形時に同時に設けてもよいし、成形後に押し抜
きや超音波加工等の手段により穿つようにしてもよい。
第一トチ及び第二トチは、基本的には多孔板と同材質と
し、多孔板と同様に未焼結体の状態で用いる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて更に
詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られる
ものではない。

【００１８】（実施例）：窒化珪素粉末１０００ｇに、
焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃ １０ｇ、ＭｇＯ１０ｇ、ＺｒＯ
₂ ５ｇ、有機バインダーとしてポリビニルアルコール１
ｇを添加し、更に水１０００ｇを加え、窒化珪素玉石
（φ５mm）を用いてアトライタにより４時間粉砕・混合
を行った。得られた微粉砕混合物を、スプレードライヤ
ーによって乾燥・造粒して得た粉末を原料として、押出
成形により管状の成形体を作製し、１１０℃で１０時間
乾燥させた。乾燥後５００℃で５時間バインダー仮焼を
行い、更に１６５０℃で１時間焼成して、外径８mm、内
径６mm、長さ３００mmの管状体を得た。

【００１９】また、管状体の作製に用いたものと同じ原
料を用いて、静水圧プレス成形により、７ton/cm²の圧
力を加えて板状の成形体を作製した。これを上記管状体
の作製におけると同様の条件で乾燥及びバインダー仮焼
し、更に窒素雰囲気中１３５０℃で３時間仮焼を行っ
た。このようにして得られた種々の厚みを有する板状の
仮焼体に、超音波加工により、管状体を挿入し接合する
ための孔径９．３mmの複数の貫通孔を形成して、多孔板
を得た。

【００２０】次いで、図１に示すように、得られた多孔
板１ａ、１ｂの各孔貫通に、それぞれ管状体２の端部を
挿入し、治具５ａを用いて上側多孔板１ａの接合部の位
置決めを行うとともに、治具５ｂを用いて下側多孔板１
ｂと第一トチ４及び第二トチ６との間に間隔を設けた。
第一トチ４は治具５ｂの下端面と接触した状態でこれを
受け、第一トチ４上に載置された第二トチ６は管状体２
の下端面と接触した状態でこれを受けている。第一トチ
４及び第二トチ６は、多孔板と同程度の焼成収縮率とな
るように、多孔板と同様の条件で作製したものである。
下側多孔板１ｂと第一トチ４との間隔は３０mmとし、ま
た、焼成接合の締め代は０．２mmとした。

【００２１】このような状態にて窒素雰囲気中１６００
℃で３時間加熱焼成し、多孔板１ａ、１ｂと管状体２と
を接合一体化した。焼成接合完了後、下側管板１ｂの下
方に突出した管状体２の下端部分を切除し、図３に示す
ような管状体２の上下両端部に多孔板１ａ、１ｂが接合
されたセラミックス接合体を得た。以上のようにして、
表１に示す試作Ｎｏ．１〜４のセラミックス接合体をそ
れぞれ５体ずつ作製し、管状体の平均曲がり量及び歩留
（多孔板に割れを生ずることなく得られた試作品の割
合）を調べた。その結果を表１に示す。なお、表１中の
下側多孔板の厚みＤ、第二トチの厚みｄ及びｄ／Ｄは、
それぞれ加熱焼成前の値を示している。

【００２２】（比較例）：第二トチを用いず、均一な厚
みを有する１枚のトチを用いた従来法によりセラミック
ス接合体の製造を行った。すなわち、図５に示すよう
に、上記実施例と同様にして得られた多孔板１ａ、１ｂ
の各貫通孔に、それぞれ管状体２の端部を挿入し、治具
５ａ、５ｂを用いて接合部の位置決め、及び下側多孔板
１ｂとトチ１２との間の間隔の形成を行い、この状態に
て窒素雰囲気中１６００℃で３時間加熱焼成し、多孔板
１ａ、１ｂと管状体２を接合一体化した。以上のように
して、試作品を５体作製し、管状体の平均曲がり量及び
歩留（多孔板に割れを生ずることなく得られた試作品の
割合）を調べた。その結果を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１に示す結果のとおり、本発明の実施例
に係る試作Ｎｏ．１〜４は、比較例で得られた試作品に
比して管状体の変形が小さく、歩留も向上している。ま
た、試作Ｎｏ．１〜４のうちでも、下側多孔板の厚みＤ
と第二トチの厚みｄとが、加熱焼成前において、０．５
＜ｄ／Ｄ＜０．６の関係を満たす試作Ｎｏ．４は、特に
良好な結果を示した。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
焼成収縮率差を利用したセラミックス多孔板とセラミッ
クス管状体との接合体の製造において、焼成接合過程に
おけるトチからの熱的影響を避けることができるととも
に、下側多孔板の焼成収縮に伴って接合部付近に過大な
応力が発生するのを防ぐことができ、この結果、多孔板
の割れなどの無い良好なセラミックス接合体を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックス接合体の製造方法を
示す側面説明図である。

【図２】本発明に係るセラミックス接合体の製造方法の
要部を拡大して示す説明図である。

【図３】セラミックス接合体の一例を示す側面概要図で
ある。

【図４】多孔板の平面図である。

【図５】従来のセラミックス接合体の製造方法を示す側
面説明図である。

【図６】従来のセラミックス接合体の製造方法の要部を
拡大して示す説明図である。

【符号の説明】

１…多孔板、１ａ…上側多孔板、１ｂ…下側多孔板、２
…管状体、３…貫通孔、４…第一トチ、５ａ…治具、５
ｂ…治具、６…第二トチ、１２…トチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−126078（ＪＰ，Ａ) 特開平７−144975（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 37/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の貫通孔を有するセラミックス未焼
結体である多孔板の各々の貫通孔に、セラミックス焼結
体である管状体を挿入し、該管状体を床面に対して垂直
に立て、該管状体の上下両端部付近にそれぞれ多孔板が
位置決めされた状態で加熱焼成し、両者の焼成収縮率の
差を利用して一体的に接合することにより、平行に並ん
だ複数の管状体の両端部付近に多孔板が接合されたセラ
ミックス接合体を製造する方法において、治具を介在させることにより、管状体の下端部付近に位
置決めされた多孔板の下に所定の間隔を設けて、第一ト
チ及び第二トチを設置し、上記第一トチは、上記治具の下端面と接触した状態でこ
れを受け、上記第二トチは、上記第一トチ上に載置されて、上記管
状体の下端面と接触した状態でこれを受け、このような状態にて加熱焼成を行うことを特徴とするセ
ラミックス接合体の製造方法。
【請求項２】管状体の下端部付近に位置決めされた多
孔板と第二トチとが同等の焼成収縮率を有し、管状体の
下端部付近に位置決めされた多孔板の厚みをＤ、第二ト
チの厚みをｄとしたとき、これらが加熱焼成前におい
て、０．５＜ｄ／Ｄ＜０．６の関係を満たすものである
請求項１記載のセラミックス接合体の製造方法。