JP3262713B2 - Ceramic coating method - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、基材にセラミック
ス被膜を形成するセラミックスコーティング方法に係わ
り、特に、高温腐食性雰囲気に対する耐熱性や耐食性を
考慮したセラミックスコーティング方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic coating method for forming a ceramic film on a substrate, and more particularly to a ceramic coating method considering heat resistance and corrosion resistance to a high-temperature corrosive atmosphere.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、セラミックスは高温で熱的及び
化学的に安定である。そのため、高温環境下あるいは高
腐食環境下で使用される材料として金属材料に代わって
使用される可能性のある材料である。しかしながら、製
作可能な寸法に制限があること、機械加工等がしにくい
こと、もろいことなどの理由から、セラミックスを単独
で用いるのではなく、黒鉛や金属材料等にセラミックス
をコーティングして材料の耐食性や耐熱性を向上させる
ことが従来から行われてきた。種々の材料にセラミック
スをコーティングする方法としては、プラズマ溶射、C
VD、PVD等の方法があるが、いずれの方法もコーテ
ィング可能な寸法や形状に対する制限があり、またコス
トが高くなる等の問題がある。BACKGROUND OF THE INVENTION Generally, ceramics are thermally and chemically stable at high temperatures. Therefore, it is a material that may be used in place of a metal material as a material used in a high-temperature environment or a highly corrosive environment. However, due to the limitations on the dimensions that can be manufactured, the difficulty in machining, etc., and the fragility, it is not necessary to use ceramics alone. And heat resistance have been conventionally improved. Methods for coating ceramics on various materials include plasma spraying and C
Although there are methods such as VD and PVD, all of these methods have limitations on the size and shape that can be coated and have problems such as an increase in cost.
【0003】そこで、近年、ゾルゲル法による炭素材料
のシリカ被覆(山本修著,日本化学会誌,No.9, pp1096
〜1099(1993);以下第1の従来技術という)、ゾルゲル
法により316ステンレス向上に作成したアルミナ被覆の
保護性(Ying Wang著,材料と環境,No.42 pp158〜165
(1993);以下第2の従来技術という)、ゾルゲル法を用
いる黒鉛材料の窒化チタンコーティング(神谷寛一著,
炭素,No.146 pp15〜21(1991);以下第3の従来技術と
いう)等に記載のように、ゾルゲル法によるセラミック
スコーティングが行われるようになってきている。Therefore, in recent years, a silica coating of a carbon material by a sol-gel method (Osamu Yamamoto, Journal of the Chemical Society of Japan, No. 9, pp1096)
991099 (1993); hereinafter referred to as the first prior art), the protective properties of alumina coating prepared by sol-gel method on 316 stainless steel (Ying Wang, Materials and Environment, No. 42 pp. 158-165)
(1993); hereinafter, referred to as a second prior art), a titanium nitride coating of graphite material using a sol-gel method (Kanichi Kamiya,
As described in carbon, No. 146, pp. 15-21 (1991); hereinafter, referred to as a third conventional technology), ceramic coating by a sol-gel method has been performed.
【0004】これら第1〜第3の従来技術に記載されて
いるゾルゲル法とは、アルコキシド等の溶液から出発
し、溶液中の化合物の加水分解や重合反応によって −
金属−酸素−金属−酸素− または −金属−有機分子
−金属−有機分子− の結合を経た後、数百℃または千
数百℃の加熱によりガラスまたはセラミックスを得る方
法であり、比較的容易に基材にコーティングを施すこと
が可能である。The sol-gel method described in the first to third prior arts starts from a solution of an alkoxide or the like, and is obtained by hydrolysis or polymerization of a compound in the solution.
This is a method of obtaining glass or ceramics by heating at several hundred degrees Celsius or hundreds of thousands of degrees Celsius after bonding metal-oxygen-metal-oxygen- or -metal-organic molecule-metal-organic molecule-. It is possible to apply a coating to the substrate.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
なゾルゲル法により形成されるセラミックスの被膜は厚
さが高々1μm程度の薄膜であり、ある程度の減肉を想
定して使用されるべき耐食性被膜としては使用すること
が難しかった。また、このセラミックスの被膜は緻密な
被膜となるため、熱衝撃や熱応力により割れや剥離を生
じやすいという弱点があった。そのため、高温環境下あ
るいは高腐食環境下において使用される材料に対して
は、従来のゾルゲル法によるセラミックスコーティング
は最適ではないと考えられる。However, the ceramic coating formed by the sol-gel method as described above is a thin film having a thickness of at most about 1 μm, and is a corrosion-resistant coating to be used assuming a certain thickness reduction. It was difficult to use. Further, since the ceramic coating is a dense coating, there is a weak point that cracks and peeling are likely to occur due to thermal shock and thermal stress. Therefore, it is considered that the ceramic coating by the conventional sol-gel method is not optimal for materials used in a high temperature environment or a highly corrosive environment.
【0006】本発明の目的は、高温環境下や高腐食環境
下においても耐熱性及び耐食性に優れたセラミックス被
膜を基材表面に形成できるセラミックスコーティング方
法を提供することである。An object of the present invention is to provide a ceramic coating method capable of forming a ceramic film having excellent heat resistance and corrosion resistance on a substrate surface even in a high temperature environment or a highly corrosive environment.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、基材にセラミックス被膜を形成す
るセラミックスコーティング方法において、酸化物ゾル
入りのシリコンアルコキシドに酸化物セラミックス粉末
を添加して塗布液を作成し、前記塗布液を黒鉛基材の表
面に塗布し、乾燥後、大気中で焼成することによりセラ
ミックス被膜を形成することを特徴とするセラミックス
コーティング方法が提供される。According to the present invention, there is provided a ceramic coating method for forming a ceramic film on a substrate, comprising adding an oxide ceramic powder to a silicon alkoxide containing an oxide sol. A coating solution is prepared by applying the coating solution to a surface of a graphite substrate, dried, and fired in the air to form a ceramic coating.
【0008】上記のように構成した本発明におけるセラ
ミックス被膜の形成過程は、酸化物ゾル入りのシリコン
アルコキシドを塗布液として黒鉛基材の表面に塗布し、
乾燥後、焼成することによるゾルゲル反応を利用するも
のであり、シリコンアルコキシドに由来する二酸化珪素
(以下、適宜、SiO2と記す)、及び酸化物ゾルに由
来する酸化物セラミックスの編み目構造が形成される。
そして、このような編み目構造が形成される時に、塗布
液中に添加した酸化物セラミックス粉末がその編み目の
中に取り込まれる。これにより、高々1μm程度の厚さ
のセラミックス被膜しか形成し得なかった従来のゾルゲ
ル法に比べ数10から200μm程度までの厚いセラミ
ックス被膜を得ることが可能となる。このセラミックス
被膜の厚膜化により、被膜の腐食や減肉に対する余裕が
増加し、耐食性が向上する。また、酸化物セラミックス
粉末を塗布液に添加することによって形成されたセラミ
ックス被膜が多孔質となるため、被膜内部で熱応力や熱
衝撃を緩和しやすくなり、割れや剥離等が起こりにくく
なり、耐熱性が向上する。但し、焼成時にはゾルゲル反
応によって塗布液中のシリコンアルコキシドをSiO2
に変化させるために、その焼成を大気中で行うことが必
要である。In the process of forming a ceramic film according to the present invention having the above-described structure, a silicon alkoxide containing an oxide sol is applied as a coating solution to the surface of a graphite substrate,
It utilizes a sol-gel reaction by firing after drying, and forms a knitted structure of silicon dioxide (hereinafter appropriately referred to as SiO 2 ) derived from silicon alkoxide and oxide ceramic derived from oxide sol. You.
Then, when such a stitch structure is formed, the oxide ceramic powder added to the coating solution is taken into the stitch. As a result, it is possible to obtain a ceramic film having a thickness of several tens to 200 μm as compared with the conventional sol-gel method in which only a ceramic film having a thickness of at most about 1 μm can be formed. By increasing the thickness of the ceramic coating, a margin for corrosion and thinning of the coating is increased, and the corrosion resistance is improved. In addition, since the ceramic coating formed by adding the oxide ceramic powder to the coating liquid becomes porous, thermal stress and thermal shock inside the coating are easily relieved, cracking and peeling are less likely to occur, and heat resistance is reduced. The performance is improved. However, at the time of firing, silicon alkoxide in the coating solution is converted to SiO 2 by a sol-gel reaction.
It is necessary to perform the calcination in the atmosphere in order to change to
【0009】なお、上記のようなセラミックス被膜と黒
鉛基材との界面では、黒鉛表面の水酸基等と編み目構造
になったSiO2や酸化物セラミックとの間の反応によ
り得られた化学的結合と、塗布液が黒鉛基材中の気孔や
凹凸に染み込んだ結果得られた機械的結合とにより被膜
が密着している。At the interface between the ceramic coating and the graphite substrate as described above, a chemical bond obtained by a reaction between hydroxyl groups on the graphite surface and SiO 2 or oxide ceramics having a knitted structure is formed. In addition, the coating adheres due to mechanical bonding obtained as a result of the application liquid penetrating into pores and irregularities in the graphite substrate.
【0010】上記酸化物セラミックス粉末としては、例
えばアルミナ(以下、適宜、Al2O3と記す)、または
イットリウムの酸化物(以下、適宜、イットリアまたは
Y2O3と記す)が用いられ、酸化物ゾルとしては、例え
ばアルミナゾル(以下、適宜、Al2O3ゾルと記す)が
用いられ、シリコンアルコキシドとしては、例えばテト
ラメトキシシラン(Si(OCH3)4)が用いられるが、
最も好適な塗布液の組成は、テトラメトキシシランを6
wt%及びエタノールを14wt%含む溶液にアルミナ
ゾルを30wt%、アルミナ粉末を50wt%含有する
ものである。特に、酸化物セラミックス粉末の添加量を
上記以上に増やすと、塗布液の粘性が大きくなり、塗布
するのに不適当となり、上記以下に減少すると編み目構
造に取り込まれる粉末量が減って所望の特性のセラミッ
クス被膜が得られない。なお、上記以外の酸化物セラミ
ックス粉末、上記以外の酸化物ゾル、上記以外のシリコ
ンアルコキシドを用いることも可能である。As the oxide ceramic powder, for example, alumina (hereinafter, appropriately referred to as Al 2 O 3 ) or oxide of yttrium (hereinafter, appropriately referred to as yttria or Y 2 O 3 ) is used. As the material sol, for example, alumina sol (hereinafter, appropriately referred to as Al 2 O 3 sol) is used, and as the silicon alkoxide, for example, tetramethoxysilane (Si (OCH 3 ) 4 ) is used.
The most preferred composition of the coating solution is tetramethoxysilane
The solution containing 30 wt% of alumina sol and 50 wt% of alumina powder in a solution containing 14 wt% of ethanol and 14 wt% of ethanol. In particular, if the addition amount of the oxide ceramic powder is increased beyond the above, the viscosity of the coating liquid increases, and the coating liquid becomes unsuitable for application. Cannot be obtained. It is also possible to use oxide ceramic powder other than the above, oxide sol other than the above, and silicon alkoxide other than the above.
【0011】また、酸化物セラミックス粉末の粒径とし
ては10〜44μmが好適である。これは、上記粒径の
酸化物セラミックス粉末の添加によってセラミックス被
膜が多孔質となり、被膜内部で熱応力や熱衝撃を緩和し
やすくなり、耐熱性が向上するからである。粒径が上記
よりも小さく数μm程度以下になるとセラミックス被膜
が緻密になるため、被膜内部で熱応力や熱衝撃を緩和で
きなくなって耐熱性が低下し、例えば1000℃の真空
中で1時間程度加熱すると被膜に割れが発生する。逆に
粒径が上記よりも大きくなると、前述のような編み目構
造に酸化物セラミックス粉末が取り込まれにくくなり、
粉末としての取り扱いも困難となる。The particle diameter of the oxide ceramic powder is preferably 10 to 44 μm. This is because the addition of the oxide ceramic powder having the above-mentioned particle diameter makes the ceramic coating porous, and it is easy to reduce thermal stress and thermal shock inside the coating, thereby improving heat resistance. When the particle size is smaller than the above and is about several μm or less, the ceramic film becomes dense, so that thermal stress and thermal shock cannot be relaxed inside the film and the heat resistance is reduced, for example, about 1 hour in a vacuum at 1000 ° C. The coating cracks when heated. Conversely, when the particle size is larger than the above, it becomes difficult for the oxide ceramic powder to be taken into the stitch structure as described above,
Handling as powder becomes difficult.
【0012】また、大気中での焼成に際しては、400
〜450℃の温度で焼成するのが好適であり、その時セ
ラミックス被膜の密着力が最も大きくなる。上記以上の
温度では黒鉛基材が大空気の酸素と反応し、黒鉛の減肉
や重量減少が顕著となる。また、上記以下の温度では焼
成が不十分となって、所望の性質を有するセラミックス
被膜を得ることができなくなる。When firing in the atmosphere, 400
It is preferable to fire at a temperature of up to 450 ° C., at which time the adhesion of the ceramic film is maximized. At a temperature higher than the above, the graphite base material reacts with oxygen in the large air, and the thickness reduction and weight reduction of graphite become remarkable. Further, if the temperature is lower than the above, sintering becomes insufficient, and a ceramic film having desired properties cannot be obtained.
【0013】また、好ましくは、塗布液に前記黒鉛基材
を浸漬することにより、前記塗布液を前記黒鉛基材の表
面に塗布する。このように塗布液を黒鉛基材の表面に塗
布する際には、塗布液に黒鉛基材を浸漬したり、刷毛を
用いたり、塗布液をスプレーで黒鉛基材に噴射する方法
が容易であり、好適である。なお、塗布液の粘度が大き
い場合には、刷毛を用いるとむらを生じやすいため、浸
漬またはスプレーによる方法がより好適である。Preferably, the graphite substrate is immersed in the coating solution to apply the coating solution to the surface of the graphite substrate. As described above, when the coating liquid is applied to the surface of the graphite base, it is easy to immerse the graphite base in the coating liquid, use a brush, or spray the coating liquid onto the graphite base by spraying. Is preferred. In addition, when the viscosity of the coating liquid is large, the use of a brush tends to cause unevenness, so that the method of dipping or spraying is more preferable.
【0014】また、塗布液を塗布する前に、好ましく
は、予め前記黒鉛基材の表面を粗面化手段により粗面化
する。これにより、黒鉛基材とセラミックス被膜との界
面における機械的結合力が増加し、さらに基材の実効的
な表面積が増えることにより化学的結合力が増加する。
従って、セラミックス被膜の密着力を高めることが可能
となる。Before applying the coating liquid, preferably, the surface of the graphite base material is roughened in advance by a roughening means. As a result, the mechanical bonding force at the interface between the graphite substrate and the ceramic film increases, and the chemical bonding force increases by increasing the effective surface area of the substrate.
Therefore, it is possible to increase the adhesion of the ceramic film.
【0015】さらに、上記では黒鉛基材の表面に塗布液
を塗布することとしたが、金属基材や他のセラミックス
基材の表面に同様の塗布液を塗布し、同様の焼成を行っ
てもよい。Further, in the above description, the coating liquid is applied to the surface of the graphite substrate, but the same coating liquid may be applied to the surface of a metal substrate or another ceramic substrate, and the same firing may be performed. Good.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】本発明によるセラミックスコーテ
ィング方法の第1の実施形態について、図1から図5を
参照しながら説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of a ceramic coating method according to the present invention will be described with reference to FIGS.
【0017】図1に本実施形態のセラミックスコーティ
ング方法によるセラミックス被膜の形成及び密着メカニ
ズムを模式的に示し、図2にその実施フローチャートを
示す。まず、図2のステップS1に示すようにテトラメ
トキシシラン、エタノール、Al2O3ゾル(粒径50μ
m)、Al2O3セラミックス粉末(粒径10〜44μ
m)をそれぞれ6wt%、14wt%、30wt%、5
0wt%となるように混合および調整し塗布液を作成し
た。なお、エタノールの代わりに他のアルコールを用い
てもよい。FIG. 1 schematically shows the formation and adhesion mechanism of a ceramic film by the ceramic coating method of the present embodiment, and FIG. 2 shows a flowchart of the operation. First, as shown in step S1 of FIG. 2, tetramethoxysilane, ethanol, Al 2 O 3 sol (particle diameter 50 μm)
m), Al 2 O 3 ceramic powder (particle size: 10-44 μm)
m) is 6 wt%, 14 wt%, 30 wt%, 5
The mixture was mixed and adjusted to be 0 wt% to prepare a coating solution. Note that another alcohol may be used instead of ethanol.
【0018】次に、図2のステップS2に示すように、
コーティングされる黒鉛基材の表面を粒径250μmの
Al2O3セラミックス粉末を用いて2kg/cm2の圧
力で数秒間ブラストし、粗面化した。黒鉛基材(試験
片)としては50mm四方で厚さ0.5mmの寸法の黒
鉛板を用いた。次に、ステップS3において、上記黒鉛
基材表面にステップS1のように調整された塗布液を塗
布した。この時の塗布方法を図3に示す。Next, as shown in step S2 of FIG.
The surface of the graphite substrate to be coated was blasted at a pressure of 2 kg / cm 2 for several seconds using Al 2 O 3 ceramic powder having a particle size of 250 μm to roughen the surface. As a graphite substrate (test piece), a graphite plate having a size of 50 mm square and a thickness of 0.5 mm was used. Next, in step S3, the coating liquid adjusted as in step S1 was applied to the surface of the graphite substrate. The coating method at this time is shown in FIG.
【0019】図3に示すように、黒鉛基材1を上下方向
に移動させる移動機構3に取り付け、容器2内に収容し
た塗布液4に黒鉛基材1を浸漬させる。浸漬時間は数秒
間程度とし、素早く引き上げることにより黒鉛基材1表
面に塗布液4が塗布される。この方法によれば数m程度
の寸法の大きな基材に一様な膜厚で短時間かつ容易にコ
ーティングすることができる。また、塗布液4の粘度が
大きく、塗布しにくい場合には20%程度までアルコー
ルの割合を増加させ粘度を小さくすることも可能であ
る。さらに、プラズマ溶射等では陰になった部分がコー
ティング出来ないが、この方法によれば複雑な形状の基
材に対しても塗布溶液の流動性を利用して容易にコーテ
ィング出来る。As shown in FIG. 3, the graphite base 1 is attached to a moving mechanism 3 for moving the graphite base 1 in a vertical direction, and the graphite base 1 is immersed in a coating solution 4 contained in a container 2. The immersion time is about several seconds, and the coating liquid 4 is applied to the surface of the graphite substrate 1 by quickly pulling it up. According to this method, a large substrate having a size of about several meters can be easily and quickly coated with a uniform film thickness. Further, when the viscosity of the coating liquid 4 is large and it is difficult to apply the coating liquid 4, it is also possible to increase the ratio of alcohol to about 20% to reduce the viscosity. Further, the shadowed portion cannot be coated by plasma spraying or the like, but according to this method, even a substrate having a complicated shape can be easily coated by utilizing the fluidity of the coating solution.
【0020】次に、ステップS4において、上記のよう
に塗布液を塗布した黒鉛基材を室温(大気中)で約15
時間乾燥した後、さらに50℃で0.5時間乾燥させ
た。ここまでの間に、塗布液において加水分解や縮重合
が起こり、黒鉛基材への塗布および乾燥により水素ガス
(H2)、酸素ガス(O2)、水酸化アルキル(R′O
H)等が飛んで塗布液は次第にゾルからゲルへと変化す
る。なお、図1にはテトラメトキシシラン及びAl2O3
ゾルの構造図を示すが、図1に示したテトラメトキシシ
ランの構造図は加水分解されて水酸基(OH-)が付加
されたものを示している。また、図1においてR,
R′,R″はアルキル基(CnH2n+1)を表す。Next, in step S4, the graphite substrate coated with the coating solution as described above is washed at room temperature (in air) for about 15 minutes.
After drying for an hour, it was further dried at 50 ° C. for 0.5 hour. In the meantime, hydrolysis and polycondensation occur in the coating solution, and hydrogen gas (H 2 ), oxygen gas (O 2 ), alkyl hydroxide (R′O
H), etc., and the coating liquid gradually changes from a sol to a gel. FIG. 1 shows tetramethoxysilane and Al 2 O 3
FIG. 1 shows a structural diagram of the sol. The structural diagram of tetramethoxysilane shown in FIG. 1 shows a structure in which a hydroxyl group (OH − ) is added by hydrolysis. In FIG. 1, R,
R ', R "represents an alkyl group (C n H 2n + 1) .
【0021】さらに、ステップS5において、450℃
で1時間焼成した。これにより水素ガス(H2)、炭化
水素(CnHm)等が飛んでセラミックス被膜が黒鉛基材
表面に形成される。この時の被膜の状態は図1に模式的
に示したようになり、テトラメトキシシランに由来する
SiO2、及びAl2O3ゾルに由来するAl2O3の編み
目構造が形成され、そして、この編み目構造の中に、塗
布液中に添加したAl2O3セラミックス粉末が取り込ま
れる。上記のようにして形成されたセラミックス被膜の
膜厚は100〜200μm程度になり、従来のゾルゲル
法よりも厚いセラミックス被膜が得られる。Further, in step S5, at 450 ° C.
For 1 hour. As a result, the hydrogen gas (H 2 ), the hydrocarbon (C n H m ) and the like fly off, and a ceramic film is formed on the surface of the graphite substrate. The state of the coating at this time is as schematically shown in FIG. 1, and a stitch structure of SiO 2 derived from tetramethoxysilane and Al 2 O 3 derived from the Al 2 O 3 sol is formed, and The Al 2 O 3 ceramic powder added to the coating solution is taken into the stitch structure. The thickness of the ceramic film formed as described above is about 100 to 200 μm, and a ceramic film thicker than the conventional sol-gel method can be obtained.
【0022】なお、上記のようなセラミックス被膜と黒
鉛基材との界面では、黒鉛表面の水酸基(OH-)等と
編み目構造になったSiO2やAl2O3との間の反応に
より得られた化学的結合と、塗布液が黒鉛基材中の気孔
や凹凸に染み込んだ結果得られた機械的結合とにより被
膜が密着している。[0022] In the interface between the ceramic coating and the graphite substrate as described above, the hydroxyl group of the graphite surface - obtained by reaction between SiO 2 and Al 2 O 3 became like a stitch structure (OH) The coating adheres due to the chemical bonding and the mechanical bonding obtained as a result of the permeation of the coating liquid into the pores and irregularities in the graphite substrate.
【0023】このセラミックス被膜の耐熱性を評価する
ため、この黒鉛板(以下、適宜、試験片という)を真空
中において1000℃で1時間加熱した結果、被膜には
割れや剥離等は見られず、健全な状態を保っており、良
好な耐熱性を有していることが分かった。In order to evaluate the heat resistance of the ceramic coating, the graphite plate (hereinafter, referred to as a test piece as appropriate) was heated at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum. As a result, no cracking or peeling was observed in the coating. It was found that the composition maintained a healthy state and had good heat resistance.
【0024】一方、セラミックス被膜の耐食性を評価す
るため、上記と同様にしてコーティングしたの黒鉛板
(試験片)を真空中において1000℃でウラン鉄合金
中に400時間浸漬した。浸漬後取り出した黒鉛板の外
観観察及び断面観察をした結果、被膜に割れや剥離等は
見られず、ウラン鉄合金の被膜中への侵入等もなく、健
全な状態を保っており、良好な耐食性を有していること
が分かった。On the other hand, to evaluate the corrosion resistance of the ceramic film, a graphite plate (test piece) coated in the same manner as above was immersed in a uranium iron alloy at 1000 ° C. in a vacuum for 400 hours. As a result of observing the appearance and cross-section of the graphite plate taken out after immersion, the coating did not show any cracks or peeling, and did not penetrate into the coating of the uranium iron alloy. It was found to have corrosion resistance.
【0025】以上のように、セラミックス被膜の厚膜化
により、被膜の腐食や減肉に対する余裕が増加し、耐食
性が向上する。また、酸化物セラミックス粉末を塗布液
に添加することによって形成されたセラミックス被膜が
多孔質となるため、被膜内部で熱応力や熱衝撃を緩和し
やすくなり、割れや剥離等が起こりにくくなり、耐熱性
が向上する。As described above, by increasing the thickness of the ceramic film, the margin for corrosion and thinning of the film is increased, and the corrosion resistance is improved. In addition, since the ceramic coating formed by adding the oxide ceramic powder to the coating liquid becomes porous, thermal stress and thermal shock inside the coating are easily relieved, cracking and peeling are less likely to occur, and heat resistance is reduced. The performance is improved.
【0026】次に、Al2O3セラミックス粉末の添加割
合について評価するため、塗布液に添加するAl2O3セ
ラミックス粉末の割合を46〜60wt%の範囲で変え
た塗布液を作成し、前述と同様の方法で試験片を作成
し、真空中において1000℃で1時間加熱する耐熱性
の試験を実施した。その結果、Al2O3セラミックス粉
末の添加量が50wt%の場合の試験片において、被膜
に割れや剥離等がなく、健全な状態を保っており、良好
な耐熱性を有していることが分かった。Al2O3セラミ
ックス粉末の添加量を上記以上、例えば60wt%に増
やすと、塗布液の粘性が大きくなり、塗布するのに不適
当となる。また、上記以下に減少すると編み目構造に取
り込まれる粉末量が減って所望の特性のセラミックス被
膜が得られない。従って、Al2O3セラミックス粉末の
添加量としては50wt%程度が適当である。Next, in order to evaluate the proportion of the added Al 2 O 3 ceramic powder, to prepare a coating liquid having different proportions of Al 2 O 3 ceramic powder in the range of 46~60Wt% added to the coating solution, above A test piece was prepared in the same manner as described above, and a heat resistance test of heating at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum was performed. As a result, in the test piece in which the addition amount of the Al 2 O 3 ceramic powder was 50 wt%, it was confirmed that the test piece had a sound state without cracking or peeling, and had good heat resistance. Do you get it. When the addition amount of the Al 2 O 3 ceramic powder is increased above the above, for example, to 60 wt%, the viscosity of the coating liquid becomes large, and it becomes unsuitable for coating. On the other hand, if it is less than the above, the amount of powder taken into the stitch structure is reduced, and a ceramic film having desired characteristics cannot be obtained. Therefore, it is appropriate to add about 50 wt% of the Al 2 O 3 ceramic powder.
【0027】次に、Al2O3セラミックス粉末の粒径に
ついて評価するため、Al2O3セラミックス粉末の粒径
を2μmと小さい場合、及び10〜44μmの場合の2
種類の塗布液を作成し、前述と同様の方法で試験片を作
成し、真空中において1000℃で1時間加熱する耐熱
性の試験を実施した。その結果、添加するAl2O3セラ
ミックス粉末の粒径の粒径が2μmと小さい場合には4
50℃での焼成後に、被膜に割れが発生した。また、粘
着テープを貼ってから剥がす密着性評価試験によっても
被膜の一部が剥離した。このように粒径が小さい場合に
は被膜に割れや剥離が生じやすく、さらにセラミックス
被膜が緻密になるため、被膜内部で熱応力や熱衝撃を緩
和できなくなって耐熱性が低下する。Next, Al 2 O 3 to assess the particle size of the ceramic powder, Al 2 O 3 when the ceramic powder of a particle size as small as 2 [mu] m, and in the case of 10~44Myuemu 2
Various types of coating liquids were prepared, test pieces were prepared in the same manner as described above, and a heat resistance test of heating at 1000 ° C. for 1 hour in vacuum was performed. As a result, when the particle size of the Al 2 O 3 ceramic powder to be added is as small as 2 μm,
After firing at 50 ° C., the coating cracked. In addition, a part of the coating was also peeled off by an adhesion evaluation test in which the pressure-sensitive adhesive tape was applied and then peeled off. When the particle size is small as described above, the coating is easily cracked or peeled off, and the ceramic coating becomes dense, so that thermal stress or thermal shock cannot be reduced inside the coating, and the heat resistance is reduced.
【0028】一方、添加するセラミックス粉末の粒径が
10〜44μmと上記よりも大きい場合には、割れや剥
離等が発生せず、また真空中において1000℃で1時
間加熱する耐熱性の試験によっても、被膜に割れや剥離
等がなく、良好な耐熱性を示した。これは、10〜44
μmのAl2O3のセラミックス粉末の添加により、セラ
ミックス被膜が多孔質となって耐熱性が向上したことに
よると考えられる。逆に粒径が上記よりも大きくなる
と、前述のような編み目構造に酸化物セラミックス粉末
が取り込まれにくくなり、粉末としての取り扱いも困難
となる。On the other hand, when the particle size of the ceramic powder to be added is 10 to 44 μm, which is larger than the above, no cracking or peeling occurs, and a heat resistance test of heating at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum is conducted. Also, the coating showed no cracking or peeling, and showed good heat resistance. This is 10-44
It is considered that the addition of the Al 2 O 3 ceramic powder having a thickness of μm made the ceramic coating porous and improved the heat resistance. Conversely, if the particle size is larger than the above, the oxide ceramic powder is less likely to be taken into the above-described stitch structure, and handling as a powder becomes difficult.
【0029】次に、焼成温度について評価するため、前
述と同様に塗布液を塗布し乾燥した試験片を、300〜
600℃の範囲の種々の温度で1時間焼成した。それら
の試験片のセラミックス被膜の密着力を測定した結果、
図4に示すように400〜450℃で焼成したセラミッ
クス被膜の密着力が最も大きかった。但し、図4は、4
00で焼成したものの密着力を1とした相対値を示す。
以上のことから、焼成温度としては400〜450℃が
適していることが分かった。これに対し、上記以上の温
度では黒鉛基材が大空気の酸素と反応し、黒鉛の減肉や
重量減少が顕著となると考えられ、また、上記以下の温
度では焼成が不十分となって、所望の性質を有するセラ
ミックス被膜を得ることができなくなると考えられる。Next, in order to evaluate the sintering temperature, test specimens coated with the coating solution and dried in
Firing at various temperatures in the range of 600 ° C. for 1 hour. As a result of measuring the adhesion of the ceramic film of those test pieces,
As shown in FIG. 4, the adhesion of the ceramic film fired at 400 to 450 ° C. was the largest. However, FIG.
The relative value is shown with the adhesion of the fired product being set to 1.
From the above, it turned out that 400-450 degreeC is suitable as a baking temperature. On the other hand, at the temperatures above the above, the graphite substrate reacts with oxygen in the large air, and it is considered that the thinning and weight loss of the graphite become remarkable, and the calcination becomes insufficient at the above-mentioned temperatures, It is considered that a ceramic film having desired properties cannot be obtained.
【0030】次に、黒鉛基材表面の粗面化について評価
するため、ブラストによる粗面化の有り、無しの黒鉛基
材を用いて前述と同様の方法で試験片を作成し、形成さ
れたセラミックス被膜の密着力を測定した。その結果、
図5に示すように、ブラスト有りの場合の方がブラスト
無しの場合に比べて高い密着力を示した。但し、図5
は、ブラスト有りの場合の密着力を1とした相対値を示
す。ブラスト有りの場合の密着力が高くなるのは、粗面
化により黒鉛基材とセラミックス被膜との界面における
機械的結合力が増加し、さらに基材の実効的な表面積が
増えることにより化学的結合力が増加するためである。
このようにブラストによる表面の粗面化は本実施形態に
有効である。なお、粗面化するには、ブラスト以外、例
えばサンドペーパを利用してもよい。Next, in order to evaluate the surface roughening of the graphite base material, test pieces were prepared by the same method as described above using graphite base materials with and without blasting. The adhesion of the ceramic coating was measured. as a result,
As shown in FIG. 5, the case with blast showed a higher adhesive force than the case without blast. However, FIG.
Indicates a relative value when the adhesion force when blasting is performed is 1. The increase in adhesion when blasting occurs is due to the increase in the mechanical bonding force at the interface between the graphite substrate and the ceramic coating due to the roughening, and the chemical bonding due to the increase in the effective surface area of the substrate. This is because the power increases.
Thus, the surface roughening by blasting is effective in the present embodiment. For roughening, sandpaper may be used instead of blasting.
【0031】以上のような本実施形態によれば、Al2
O3ゾル入りのテトラメトキシシランに粒径が10〜4
4μmのAl2O3セラミックス粉末を添加して塗布液を
作成し、黒鉛基材の表面に塗布し、乾燥後、大気中で4
00〜450℃の温度による焼成を行なうので、テトラ
メトキシシランに由来するSiO2、及びAl2O3ゾル
に由来するAl2O3の編み目構造の中に、Al2O3セラ
ミックス粉末が取り込まれ、セラミックス被膜の膜厚を
100〜200μm程度の従来よりも厚いものとするこ
とができる。これにより、被膜の腐食や減肉に対する余
裕が増加して例えばウランに対する耐食性が向上すると
共に、セラミックス被膜が多孔質となって割れや剥離等
が起こりにくくなり、耐熱性が向上する。According to the present embodiment as described above, Al 2
O 3 sol-containing tetramethoxysilane with particle size of 10-4
A coating liquid is prepared by adding 4 μm of Al 2 O 3 ceramic powder, applied to the surface of a graphite substrate, dried, and dried in air.
Since firing is performed at a temperature of 00 to 450 ° C., the Al 2 O 3 ceramic powder is taken into the stitch structure of SiO 2 derived from tetramethoxysilane and Al 2 O 3 derived from the Al 2 O 3 sol. In addition, the thickness of the ceramic film can be increased to about 100 to 200 μm as compared with the related art. As a result, a margin for corrosion and thinning of the coating is increased to improve corrosion resistance to, for example, uranium, and the ceramic coating is made porous so that cracks and peeling are less likely to occur, thereby improving heat resistance.
【0032】また、塗布液を塗布する前に、予め黒鉛基
材の表面をブラスト等によって粗面化するので、黒鉛基
材とセラミックス被膜との界面における機械的結合力が
増加し、さらに基材の実効的な表面積が増えることによ
り化学的結合力が増加し、従って、セラミックス被膜の
密着力を高めることができる。Since the surface of the graphite substrate is roughened beforehand by blasting or the like before the application of the coating solution, the mechanical bonding force at the interface between the graphite substrate and the ceramic film increases, and As the effective surface area increases, the chemical bonding force increases, and therefore, the adhesion of the ceramic film can be increased.
【0033】次に、本発明によるセラミックスコーティ
ング方法の第2及び第3の実施形態について、図6及び
図7により説明する。図6は、塗布液を刷毛により黒鉛
基材に塗布する第2の実施形態を示し、図7は、塗布液
をスプレーにより黒鉛基材に塗布する第3の実施形態を
示す。Next, the second and third embodiments of the ceramic coating method according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows a second embodiment in which a coating liquid is applied to a graphite substrate by means of a brush, and FIG. 7 shows a third embodiment in which a coating liquid is applied to a graphite substrate by spraying.
【0034】図6に示す第2の実施形態では、塗装ロボ
ット6の先端に取り付けられた刷毛7により塗布液を黒
鉛基材に塗布する。ここで、均一な膜を得るため、及び
コーティング作業の効率を向上させるために、黒鉛基材
1を回転させる回転機構8が設けられている。また、フ
ード5は塗布液の飛散を防ぐために設けられている。本
実施形態によっても容易に塗布液を塗布することがで
き、また、目的とする部分にのみ塗布するができるた
め、被膜の部分的な補修や再塗布等に有効である。In the second embodiment shown in FIG. 6, a coating liquid is applied to a graphite substrate by a brush 7 attached to the tip of a coating robot 6. Here, in order to obtain a uniform film and to improve the efficiency of the coating operation, a rotation mechanism 8 for rotating the graphite substrate 1 is provided. The hood 5 is provided to prevent the application liquid from scattering. According to the present embodiment, the coating liquid can be easily applied, and can be applied only to a target portion, so that it is effective for partial repair or re-application of the coating.
【0035】図7に示す第3の実施形態では、第2の実
施形態における刷毛に代えて、コンプレッサー9及びス
プレー10を備えており、スプレー10から塗布液4を
噴射して黒鉛基材1に塗布する。ここでも、フード5が
設けられているが、特に塗布液4を噴射する本実施形態
の場合には、塗布液4の飛散を防止のためにフード5が
有効に機能する。また、スプレー10を塗装ロボットで
駆動することも可能である。本実施形態によっても容易
に塗布液を塗布することができ、しかも塗布作業の機械
化や自動化に有効である。In the third embodiment shown in FIG. 7, a compressor 9 and a spray 10 are provided in place of the brush in the second embodiment, and the coating liquid 4 is sprayed from the spray 10 to the graphite base 1. Apply. Here, the hood 5 is also provided, but in the case of the present embodiment in which the coating liquid 4 is jetted, the hood 5 functions effectively to prevent the coating liquid 4 from scattering. The spray 10 can be driven by a painting robot. According to this embodiment, the application liquid can be easily applied, and it is effective for mechanization and automation of the application operation.
【0036】なお、塗布液の粘度が大きい場合には、第
2の実施形態のように刷毛を用いるとむらを生じやすい
ため、第1または第3の実施形態ように浸漬やスプレー
による方法がより好適である。In the case where the viscosity of the coating solution is large, the use of a brush as in the second embodiment tends to cause unevenness. Therefore, the immersion or spray method as in the first or third embodiment is more preferable. It is suitable.
【0037】次に、本発明によるセラミックスコーティ
ング方法の第4の実施形態について、図8により説明す
る。Next, a fourth embodiment of the ceramic coating method according to the present invention will be described with reference to FIG.
【0038】本実施形態では、塗布液に添加する酸化物
セラミックス粉末を、Al2O3セラミックス粉末ではな
く、Y2O3セラミックス粉末とした実施形態である。こ
のY2O3セラミックス粉末の粒径も第1の実施形態にお
けるAl2O3セラミックス粉末と同じ10〜44μmと
し、実施形態1と同様の方法で試験片を作成した。そし
て、その試験片を真空中において1000℃で1時間加
熱する耐熱性の試験、及び真空中において1000℃で
ウラン鉄合金中に400時間浸漬する耐食性の試験に供
した。その結果、セラミックス被膜に割れや剥離等は見
られず、さらにウラン鉄合金の被膜中への侵入等もな
く、健全な状態を保っており、良好な耐熱性及び耐食性
を有していることが分かった。これは、ウランに対して
化学的に高い耐食性を有するY2O3セラミックス粉末を
添加したことによって被膜の耐食性が一層増したこと、
及びAl2O3セラミックス粉末を添加した場合と同様に
10〜44μmのY2O3セラミックス粉末の添加により
被膜が多孔質となり耐熱性が向上したことによると考え
られる。In the present embodiment, the oxide ceramic powder to be added to the coating liquid is not Al 2 O 3 ceramic powder but Y 2 O 3 ceramic powder. The particle size of the Y 2 O 3 ceramic powder was set to 10 to 44 μm, which is the same as the Al 2 O 3 ceramic powder in the first embodiment, and a test piece was prepared in the same manner as in the first embodiment. Then, the test piece was subjected to a heat resistance test of heating at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum and a corrosion resistance test of being dipped in a uranium iron alloy at 1000 ° C. for 400 hours in a vacuum. As a result, the ceramic coating did not show any cracking or peeling, and did not penetrate into the coating of the uranium iron alloy, maintaining a healthy state and having good heat resistance and corrosion resistance. Do you get it. This is because the addition of Y 2 O 3 ceramic powder, which has chemically high corrosion resistance to uranium, further increased the corrosion resistance of the coating.
And Al 2 O 3 ceramic powder coating by the addition of Y 2 O 3 ceramic powder of 10~44μm like the case of adding it is believed that due to the heat resistance becomes porous is improved.
【0039】以上のような本実施形態によっても、第1
の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、Y2O3セ
ラミックス粉末を添加することにより、ウランに対する
高い耐食性が得られる。According to the present embodiment as described above, the first
The same effect as that of the embodiment can be obtained. Further, by adding Y 2 O 3 ceramic powder, high corrosion resistance to uranium can be obtained.
【0040】なお、上記では黒鉛基材の表面に塗布液を
塗布する実施形態を示したが、金属基材や他のセラミッ
クス基材の表面に同様の塗布液を塗布し、同様の焼成を
行う場合にも、同様にセラミックス被膜の耐食性や耐熱
性を向上させることができる。In the above, the embodiment in which the coating liquid is applied to the surface of the graphite base material has been described. However, the same coating liquid is applied to the surface of a metal base material or another ceramic base material, and the same firing is performed. In this case as well, the corrosion resistance and heat resistance of the ceramic film can be similarly improved.
【0041】また、上記で用いたAl2O3セラミックス
粉末やY2O3セラミックス粉末以外の酸化物セラミック
ス粉末を用いたり、Al2O3ゾル以外の酸化物ゾルを用
いたり、テトラメトキシシラン以外のシリコンアルコキ
シドを用いることも可能である。Also, oxide ceramic powders other than the Al 2 O 3 ceramic powder and Y 2 O 3 ceramic powder used above, oxide sols other than Al 2 O 3 sol, Can be used.
【0042】[0042]
【発明の効果】本発明によれば、酸化物ゾル入りのシリ
コンアルコキシドに酸化物セラミックス粉末を添加して
塗布液とし、これを基材の表面に塗布し、乾燥及び焼成
するので、酸化物セラミックス粉末がセラミックスの編
み目構造中に取り込まれ、従来のゾルゲル法よりも厚い
セラミックス被膜を得ることができる。これにより、セ
ラミックス被膜の耐食性及び耐熱性を向上させることが
できる。According to the present invention, an oxide ceramic powder is added to a silicon alkoxide containing an oxide sol to form a coating solution, which is applied to the surface of a substrate, and dried and fired. The powder is taken into the stitch structure of the ceramic, and a thicker ceramic coating can be obtained than in the conventional sol-gel method. Thereby, the corrosion resistance and heat resistance of the ceramic film can be improved.
【0043】また、塗布液を塗布する前に基材表面を粗
面化するので、セラミックス被膜の機械的結合力及び化
学的結合力を増加させることができ、その密着力を高め
ることができる。Since the surface of the base material is roughened before the application of the coating solution, the mechanical and chemical bonding forces of the ceramic film can be increased, and the adhesion can be increased.
【図1】本発明の第1の実施形態によるセラミックスコ
ーティング方法を説明する図であって、セラミックス被
膜の形成及び密着メカニズムを模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a ceramic coating method according to a first embodiment of the present invention, and is a diagram schematically illustrating a formation and adhesion mechanism of a ceramic film.
【図2】図1のセラミックスコーティング方法の実施フ
ローチャートを示す図である。FIG. 2 is a flowchart showing an embodiment of the ceramic coating method of FIG. 1;
【図3】塗布液に黒鉛基材を浸漬させることにより、黒
鉛基材表面に塗布液を塗布する方法を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a method of applying a coating liquid to the surface of a graphite substrate by immersing the graphite substrate in the coating liquid.
【図4】セラミックス被膜の密着力に及ぼす焼成温度の
影響を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the effect of the firing temperature on the adhesion of a ceramic film.
【図5】セラミックス被膜の密着力に及ぼすブラストに
よる粗面化の影響を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the effect of roughening by blasting on the adhesion of a ceramic film.
【図6】本発明の第2の実施形態によるセラミックスコ
ーティング方法を説明する図であって、刷毛により塗布
液を黒鉛基材に塗布する方法を示す図である。FIG. 6 is a view illustrating a ceramic coating method according to a second embodiment of the present invention, and is a view illustrating a method of applying a coating liquid to a graphite substrate by using a brush.
【図7】本発明の第3の実施形態によるセラミックスコ
ーティング方法を説明する図であって、スプレーにより
塗布液を黒鉛基材に噴射して塗布する方法を示す図であ
る。FIG. 7 is a view illustrating a ceramic coating method according to a third embodiment of the present invention, and is a view illustrating a method of spraying a coating liquid onto a graphite base material by spraying to apply the coating liquid.
【図8】本発明の第4の実施形態によるセラミックスコ
ーティング方法を説明する図であって、塗布液に添加す
る酸化物セラミックス粉末をY2O3セラミックス粉末と
した場合におけるセラミックス被膜の形成及び密着メカ
ニズムを模式的に示す図である。FIG. 8 is a view for explaining a ceramic coating method according to a fourth embodiment of the present invention, in which the formation and adhesion of a ceramic film when the oxide ceramic powder added to the coating liquid is Y 2 O 3 ceramic powder; It is a figure which shows a mechanism typically.
1 黒鉛基材 2 容器 3 移動機構 4 塗布液 5 フード 6 塗装ロボット 7 刷毛 8 回転機構 9 コンプレッサー 10 スプレー DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Graphite base material 2 Container 3 Moving mechanism 4 Coating liquid 5 Hood 6 Painting robot 7 Brush 8 Rotation mechanism 9 Compressor 10 Spray
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堂守 生剛 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 内田 一成 茨城県日立市幸町三丁目2番2号 日立 ニュークリアエンジニアリング株式会社 内 (72)発明者 鈴木 英理子 茨城県日立市幸町三丁目2番2号 日立 ニュークリアエンジニアリング株式会社 内 審査官 佐伯 義文 (56)参考文献 特開 昭62−32157(JP,A) 特開 平3−45583(JP,A) 特開 平3−190984(JP,A) 特開 平5−302173(JP,A) 特開 平5−247657(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B05D 7/24 B05D 3/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Ikugo Domori 3-1-1, Sachimachi, Hitachi-shi, Ibaraki Pref. Hitachi, Ltd. Hitachi Plant (72) Inventor Kazunari Uchida 3-chome, Sachimachi, Hitachi, Ibaraki No. 2 Hitachi Nuclear Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Eriko Suzuki 3-2-2 Komachi, Hitachi City, Ibaraki Pref. Hitachi Nuclear Engineering Co., Ltd. Examiner Yoshifumi Saeki (56) References JP Sho 62 JP-A-32157 (JP, A) JP-A-3-45583 (JP, A) JP-A-3-190984 (JP, A) JP-A-5-302173 (JP, A) JP-A-5-247657 (JP, A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) B05D 7/24 B05D 3/02
Claims (3)
ラミックスコーティング方法において、酸化物ゾル入り
のシリコンアルコキシドに粉末粒径が10〜44μmの
イットリウム酸化物粉末を添加して塗布液を作成し、前
記塗布液をあらかじめブラスト処理することにより表面
を粗面化した黒鉛基材の表面に塗布し、乾燥後、大気中
にて400〜450℃の温度で焼成することによりセラ
ミックス被膜を形成することを特徴とするセラミックス
コーティング方法。1. A ceramic coating method for forming a ceramic coating on a graphite substrate, comprising the steps of: providing a silicon alkoxide containing an oxide sol having a powder particle size of 10 to 44 μm;
A coating liquid is prepared by adding yttrium oxide powder, and the coating liquid is subjected to a blast treatment in advance to obtain a surface coating.
Is applied to the surface of a roughened graphite substrate, dried, and
A ceramic coating film by baking at a temperature of 400 to 450 ° C.
を特徴とする請求項1記載のセラミックスコーティング
方法。2. The ceramic coating method according to claim 1, wherein the oxide sol is an alumina sol.
シシランであることを特徴とする請求項1記載のセラミ
ックスコーティング方法。3. The method according to claim 1, wherein said silicon alkoxide is tetramethoxysilane.
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JP12160896A JP3262713B2 (en) | 1996-05-16 | 1996-05-16 | Ceramic coating method |
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