JP3202376B2 - 金属を骨格とした陶磁器質焼結体 - Google Patents

金属を骨格とした陶磁器質焼結体

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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/74Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing shaped metallic materials
    • C04B35/76Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は金属を骨格とした陶磁
器質焼結体に関するものである。さらに詳しくは、この
発明は、建築構造材料あるいは下水道管などの土木材料
等として、高い破壊強度が必要な材料分野に利用される
陶磁器質焼結体に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】鉄筋で補強された窯業系材料
は鉄筋コンクリート、A.L.Cなど、広く建築や土木
分野において使用されているが、いずれもセメント質材
料に限られている。また、ガラス材料の分野では、板ガ
ラスの内部に金網を入れて一体化成形した「網入りガラ
ス」が知られており、破損し易いガラス材料を金属で補
強したものとして広く使用されている。この板ガラス
は、セラミックスとしては熱膨張率が高く、金属に近い
材料であること、および線径の細い金網を使用し、ガラ
スの凝固温度である600〜700℃からの冷却過程に
おいて、熱膨張率の差により内部に発生する潜在応力が
比較的小さいことがこのような製品を可能としている。
【0003】このように、セメント質材料および板ガラ
スについては、鉄筋や金属網で補強したものが知られて
いるが、いずれも極めて限られた材料分野での応用であ
って、「脆くてこわれ易い」欠点を有する陶磁器質材料
については、いまだ金属材料による補強は実用的に完成
されていないのが実情である。このような状況におい
て、この発明の発明者によって、「金属複合セラミック
ス焼結体」が提案されているが、この焼結体は繊維状ま
たは切片状の金属を分散させて補強したものであって、
的な補強効果は発揮されるが、製品としての骨格を
ないため、構造材料として信頼度が低く、使用分野
が制約されていた。
【0004】このため、陶磁器質焼結体に、骨格となる
金属材料を一体化した製品の実現が求められていたが、
このことは、以下の理由によって極めて困難な課題であ
ると考えられていた。 (1)金属は一般にセラミックスの約2倍に近い熱膨張
率を持ち、焼結時に内部に封入されると金属の膨張によ
り組織が破壊される。 (2)鉄筋など金属は500℃を越えると急激に表面か
ら酸化して酸化層を形成して容積をさらに拡大すると共
に、長時間の高温度加熱により酸化層が広がり、鉄筋が
段々と細くなって補強効果が著しく低下する。
【0005】従って、金属を骨格として一体化焼結した
陶磁器質材料は従来技術によっては実現不可能であっ
た。この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたも
のであり、従来技術の限界を克服し、製品強度として最
も信頼度の高い金属材料を骨格として、焼結体内部へ、
安定状態でこれを埋設した金属を骨格とする陶磁器質焼
結体を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】(CaO+MgO+Al
2 3 )/SiO 2 の比が0.6〜1.5とされた化学成
分が、溶融されてガラス質として産出されたものを主原
料として20〜95重量%含み、成形助剤としての金属
塩または水硬性セメント類の1種以上が、原料に3〜2
0重量%配合された陶磁器組成物の焼結体である陶磁器
質焼結体、線状、棒状または金網状の金属材料が
所定の骨格配置で埋設一体化されていることを特徴とす
る金属を骨格とした陶磁器質焼結体を提供する。また
の発明は、埋設一体化される金属材料の表面層に、金
属材料の1%以上の厚さとされた有機質糊の塗膜が形成
されていること態様としている。
【0007】すなわち、この発明における前記組成物
は、昇温とともに、80×10-7/℃以上の熱膨張率を
保ちながら、ほぼ直線的に膨張し続け、1000℃以上
の焼結温度においても焼結による収縮は0.5%を
ことはなく、収縮の少ない組成物である。一般の陶磁
器組成物は、昇温過程において、石英は変態によ
膨張、570〜600℃をえると、熱膨張率
80×10-7/℃以上になるが、一方で、600℃以
は、粘土成分の収縮などにより熱膨張率は50〜60
×10-7/℃程度の低いレベルにとどまり、1000℃
以上の焼結温度において5〜10%という大き焼結収
縮を示す。
【0008】このため、一般の陶磁器組成物の場合に
は、たとえば図1(A)に示したように、膨張、収縮に
ともない大きな変曲点を示し、たとえば120〜150
×10-7/℃の熱膨張率によ直線的に膨張する金属材
料(図1(B))との膨張相似性を持ち得ないため、焼
結において金属材料の膨張による破壊から逃れられな
い。
【0009】だが、この発明においては、陶磁器組成物
は、図1(C)に示したように、金属材料と膨張相似性
を維持して直線的に膨張する。このため、金属材料と焼
結体としての一体化が可能となる。このようなこの発明
における陶磁器組成物は、前述の通り、(CaO+Mg
O+Al23)/SiO2の比が0.6〜1.5とされ
化学成分が、溶融されてガラス質として産出されたも
主原料として20〜95重量%含成形助剤とし
ての金属塩または水硬性セメント類1種以上が原料
に3〜20重量%配合された組成物である。必要に応じ
てさらに非収縮性原料を配合することもできる。この陶
磁器組成物は、0.5%以内の収縮で焼結されるガラ
ス質水滓は、過熱過程において850〜950℃で発熱
反応を起こしながら結晶化し、わずかに膨張を示し
応焼結する特性を有る。このガラス質主原料として
20重量%以上含有する組成物は、1000℃以上の焼
結温度において、焼結収縮率が0.5%以下の範囲に調
整される。配合割合が大きくなるほど、焼結体は膨張性
を示すが、この発明では、焼結体製品の寸法安定性の点
から、ガラス質の配合割合は20〜95重量%としてい
【0010】成形助として珪酸ソーダ、珪酸カリなど
の金属塩を用いる場合には、3〜10重量%が適当であ
り、3重量未満では充分な成形強度が得られず、10
重量%をえると経済性の面で問題となる。ポルトラ
ンドセメント、高炉セメントなどの水硬性セメント類を
使用する場合には、10〜20重量%の範囲で調整す
る。これらの成形助剤は、単独もしくは混合して使用さ
れる。また、陶磁器組成物は、目的とする製品要求さ
れる物性や製品の大きさなどにより、あらかじめ高温度
で焼成し、収縮しないものとした陶磁器や煉瓦等を粉砕
したシャモット類や、フライアッシュあるいは軽量化
の目的パーライト等を配合することできる。
【0011】さらにまた、この発明において焼結体内部
に埋設される金属材料としては、鉄筋としての鉄線、そ
の他の丸棒もしくは角棒、金網等が使用される。この場
合、金属材料は、鉄材に限られることなく、熱膨張
が鉄材に近似した各種の金属材料が使用されることは言
うまでもない。これらの金属材料は、一般的に上記の
磁器組成物と比べて熱膨張の程度が大きいが、この差を
吸収するために、金属材料表面に澱粉、ポリビニルアル
コール、C.M.Cなどの有機質糊の塗膜を付与してお
くことが有効である。この有機質糊は、陶磁器組成物内
部の酸素の少ない状態では容易に焼失することはなく、
約350℃から炭化が始まり1200℃においても、
炭素としてたとえば鉄筋の表面層に残留する。そして、
この炭素が残留する限り、鉄筋等の金属材料の酸化は容
易に進行することなく、たとえば鉄筋を焼成完了後に
切開して表面状態を観察すると、滲炭層のよう光沢の
ある表面が観察される。有機質糊層の厚さは実験結果
から鉄筋等の金属材料の直径の0.5%で良いが、表
面層に残る残留炭素量および金属材料の長手方向の収縮
ともなう応力の吸収を考慮すると、有機質糊層の厚さ
は、金属材料の直径の1.0%以上とするのが望まし
い。有機質糊層の厚さが0.05mm以上必要
、木炭粉、紙粉などを混合するの有効である。
【0012】有機質糊が燃焼を開始し、炭化して容積
減少し始める約350℃までの鉄筋と陶磁器組成物
熱膨張率の差はわずかに0.1%以内であり、陶磁器
組成物に及ぼす鉄筋の膨張応力充分弾性吸収すること
できることが確認されている。以下、実施例を示し、
さらに詳しくこの発明について説明する。
【0013】
【実施例】以下の条件でサイズ300mm×600m
m×20mmの陶磁器質成形体の内部に直径5mmの
筋を埋設成形し、ローラーハースキルンを用いて昇温速
度20℃/分で1200℃まで昇温させ、約20分間保
持した後30℃/分の冷却速度で冷却し、焼結製品を
得た。 (1)鉄筋の表面処理 澱粉と木炭粉を1:1の重量比混合し、10〜12倍
の水を加え加温して糊を調製した後、鉄筋表面に膜厚
約0.2mm程度に塗布し乾燥した。 (2)鉄筋の配列と結着 図2に示したように陶磁器質成形体(1)のほぼ中心
部に鉄筋(2)を埋設した。鉄筋(2)の交部分は
1.0mm径の針金でルーズに結着した。 (3)陶磁器組成物の配合 次の表1の通りの配合比(重量比)とした。
【0014】
【表1】
【0015】(4)成形方法 NO.1、NO.2は粉末加圧成形方法で150kg/cm
2 の圧力で成形し、NO.3は水分30〜50%を加えて
セメントモルタルとして混練し、金型間へ振動充填成形
し、60℃の水蒸気雰囲気中で24時間養生硬化させ
た。 (5)焼結後の製品の外観および内部切開になる鉄筋周
辺の亀裂観察 以下の結果が観察された。
【0016】 NO.1 外観及び内部に全く亀裂部分発生なし NO.2 外観及び内部に全く亀裂部分発生なし NO.3 外観及び内部に全く亀裂部分発生なし (6)焼結製品の物性 表2の物性値が確認された。
【0017】
【表2】
【0018】なお、上記表2の焼結収縮欄の+は
張を、−は収縮を、それぞれ示している。また、曲げ
強度の欄には、スパン200mmで中央に荷重をかけな
がら表面を観察し、陶磁器組成物に亀裂が発見された時
点の強度値を示している。NO.1、NO.2、NO.3いずれ
試料も、1000kg/cm2の荷重下において鉄筋と
陶磁器組成物分離することなかった。
【0019】
【発明の効果】従来、常識では不可能とされていた鉄筋
等の金属骨格が埋設一体化された陶磁器質焼結体が提供
される。強度信頼性の高い鉄骨等の金属材料と耐候性の
高いセラミックスの特徴を生かした建築用構造材料とし
ての新しい素材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明における鉄筋および陶磁器組成物の熱
膨張性を、従来の陶磁器組成物と比較して示した温度相
関図である。
【図2】実施例としてのこの発明の金属を骨格とした陶
磁器質焼結体を示した平断面図および正断面図である。
【符号の説明】
陶磁器質成形体 2 鉄筋
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/74 - 35/76 C04B 33/36

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (CaO+MgO+Al 2 3 )/SiO
    2 の比が0.6〜1.5とされた化学成分が、溶融され
    てガラス質として産出されたものを主原料として20〜
    95重量%含み、成形助剤としての金属塩または水硬性
    セメント類の1種以上が、原料に3〜20重量%配合さ
    れた陶磁器組成物の焼結体である陶磁器質焼結体、線
    状、棒状または金網状の金属材料が所定の骨格配置
    で埋設一体化されていることを特徴とする金属を骨格と
    した陶磁器質焼結体。
  2. 【請求項2】 埋設一体化される金属材料の表面層に、
    金属材料の1%以上の厚さとされた有機質糊の塗膜が形
    成されている請求項1記載の金属を骨格とした陶磁器質
    焼結体。
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