JP4151900B2 - 白金系材料の金属疲労寿命評価方法及びガラス溶解槽の余寿命予測方法並びにガラス溶解槽 - Google Patents

Description

本発明は、白金系材料の金属疲労余寿命予測方法に関し、更に白金系材料を構成材料とするガラス溶解槽の余寿命予測方法及びガラス溶解槽に関する。

ガラスの製造工程においては、調整・混合されたガラス原料を溶解する溶解工程後、溶解状態のガラスを攪拌し、成分や屈折率等を均質化した後に成形をしてガラス製品としている。このような工程を経るガラス製造工程は、各種のガラス製造で広く適用されるプロセスであり、各種レンズ用の光学ガラスの他、液晶ディスプレイ用ガラス、ハードディスク基板用ガラス、ＣＣＤ用ガラスといった電子デバイスのガラス基板となる高硬度ガラスの製造にも適用されている。

図６は、ガラス溶解工程で用いられる一般的なガラス溶解槽１０の概略を示すものである。ガラス溶解槽１０による溶解工程では、調整・混合されたガラス原料（ガラスカレット）１１を高温で溶解して溶解ガラス１２とし、これをある程度均質化したところでその一部を適宜抜き出し、次の工程に供している。そして、溶解ガラス１２の抜き出し後にガラスカレット１１を追加し、溶解を継続しおり、この溶解ガラス１２の抜き出し及び原料１１の投入を繰り返し行っている。ここで、ガラス溶解槽１０の材質としては、各種の白金系材料（白金、白金合金、分散強化型白金合金）が適用されている。白金系材料がガラス溶解槽の構造材料として用いられているのは、溶解ガラスの温度が１０００℃以上の高温であることから、高温における機械的強度、耐酸化性、ガラス耐食性を総合的に勘案して白金系材料が最適であることによる（ガラス溶解槽の構造材料として使用されている白金系材料としては、例えば、下記特許文献１及び２記載のものがある。）。
特開２００２−１２９２４号公報 特開２００２−１２９２６号公報

ところで、ガラス溶解槽１０には従来から長期使用に伴う破損の問題がある。この際のガラス溶解槽１０の破損状態は、溶解槽１０内面の溶解ガラスの液面２０に相当する箇所で円周に沿った亀裂が生じるものであり、場合によっては亀裂が溶解槽１０の外面にまで達することがある。

かかるガラス溶解槽の破損の問題に対しては、これまで、使用中の溶解槽を目視で監視し監視者の経験により交換の要否を判断し、交換時期を予測して新規の溶解槽を発注するといった対応がなされている。また、将来の破損に備え、溶解槽の設置の際に予備の溶解槽を用意し待機させるという対策も考えられる。

しかしながら、上記のように、ガラス溶解槽は高価な白金系材料を構成材料とすることから、予備を用意するという対策は、設備コストを上昇させることになる。また、保管場所の確保、保守管理が必要となりあまり好ましい対策ではない。更に、目視による破損時期の予測も監視をする者の経験によるため、客観的なものではない。

溶解槽破損の問題に対する対策としては、材質上又は構造上の改良による対応も考えられる。しかし、本発明者らによれば、材質等の改良は破損が生じるまでの時間を一応長くすることはできても破損を完全に防止することはできない。また、そもそも、かかるガラス溶解槽の破損の原因は、いまだ明らかになっておらず、原因が不明である以上、有効な改良方法を見出す手段がない。

本発明は以上のような背景の下になされたものであり、使用に伴うガラス溶解槽の破損の原因を解明すると共に、白金系材料を適用するガラス溶解槽の破損の時期を予測する余寿命予測方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、まず、ガラス溶解槽の破損原因につき検討を行なった。そして、その一つの結論として、ガラス溶解槽に対して局所的な繰り返し応力がかかり、これによる金属疲労が生じるために破断が生じるものと考察した。この金属疲労発生の機構は、以下のようなものである。

上述したように、ガラス溶解工程においては、ガラスの溶解の進行に伴い、溶解ガラスを一部抜き出すと共に、新規にガラスカレットの投入を行っている。本発明者等によれば、このガラスカレットの投入時に溶解槽内の溶解ガラスの温度が急低下し溶解ガラス液面部に熱応力が作用するという。この過程より詳細に説明すると図１のようになる。ガラス溶解工程では、ガラス溶解槽１０中の溶解ガラス１２が抜き出し可能な状態（図１（ａ））になったところで、溶解ガラス１２の抜き出しを行う（図１（ｂ））。そして、これにガラスカレットを投入するが、この際、溶解ガラス１２の液面２０は抜き出し前と略同じ位置となる（図１（ｃ））。そして、ガラスカレット投入後の溶解ガラス１２の液面２０においては、溶融ガラスより温度の低いガラスカレットを投入したことにより温度低下が見られる。この際の溶解槽壁面の断面を示すのが図１（ｄ）であるが、溶解ガラスの液面２０では温度低下により他の部分との熱膨張差が生じ、その結果、溶解槽の中心方向へのせん断応力が局部的に生じる。その後、ガラスカレットの溶解が進行するにつれて、溶解ガラス液面の温度も上昇・安定し前述の熱膨張差はなくなるために溶解ガラス液面に作用していたせん断応力がなくなる。この溶解ガラス液面におけるせん断応力の発生、消失のサイクルは、溶解ガラスの抜き出し、ガラスカレット投入のサイクルのたびに生じることから、溶解ガラス液面においては繰り返し応力負荷により金属疲労による破断の危険性が高いと考えられる。これがガラス溶解槽の破損の原因になると考えられるのである。

本発明者等は、以上の考察から、ガラス溶解槽の破損原因を高温下での繰返し応力負荷に起因する金属疲労による破断によるものとした。そして、ガラス溶解槽の余寿命予測の為には、構成材料に対する金属疲労の影響を考慮すべきであると考えた。

そこで、本発明者等は高温下で繰り返し応力を受ける白金系材料の挙動を種々検討した。そして、その中で繰り返し応力を受ける白金系材料は、その抵抗値において特異な挙動を見出し、本発明に想到した。

即ち、本発明は、高温下で繰返し応力を受ける白金系材料の金属疲労寿命を評価する方法であって、前記白金系材料の繰返し応力を受ける部位を境とし任意の２箇所を測定点として定め、前記測定点間の抵抗値を測定する白金系材料の金属疲労寿命評価方法である。

本発明に係る白金系材料の余寿命予測方法は、具体的には、次のようになる。ある白金系材料について、高温下で繰り返し応力を受け疲労破断が生じる部位（以下、破断予測箇所という）がある場合、その破断予測箇所を跨いで任意の２箇所を測定点として選択し、両測定点間の抵抗値を測定する。この際に測定される疲労の応力負荷のサイクルと抵抗値との関係としては、抵抗値は略一定又は規則的に漸増する安定的な変化を示している。これに対し、応力負荷のサイクル数が増大し破断が生じる手前において抵抗値はそれまでの変化とは異なる変化率で大きく上昇し、その後まもなく材料の破断が生じる。従って、このような挙動を示すことを認識した上で、白金系材料の繰返し応力を受ける部位付近の抵抗値を継続的に測定することにより、疲労による破断を予測することができるのである。以上のような抵抗値変化の挙動が生じる原因については必ずしも明らかではなく、また、あらゆる金属材料についてみられる現象であるかは定かではない。しかし、本発明者等の検討では、白金、白金-ロジウム合金、白金−金合金、白金−ロジウム−金合金等の白金合金、粒子分散強化型強化白金といった白金系材料においては等しくみられる挙動である。

以上から、本発明に係る白金系材料の疲労寿命予測方法は、白金系材料の疲労強度の評価に適用することができ、種々の白金系材料について疲労強度の評価、比較を行なうことができる。この際、評価対象となる白金系材料に種々の異なる応力負荷条件を設定し、それらに対する疲労強度の評価が可能となる。そして、本発明は、白金系材料にて製造した各種装置について、高温下での金属疲労による破断余寿命の評価を装置の使用中に行うことができる。

特に、本発明は、ガラス製造工程におけるガラス溶解槽の余寿命予測に対して有効である。即ち、ガラス溶解槽の溶解ガラスの液面を境とし任意の２箇所の測定点として設定し、測定点間の抵抗値を測定することにより、上述した溶解槽破損の問題に対応することができる。

本発明に係るガラス溶解槽の余寿命予測方法においては、疲労を受ける箇所は溶解ガラスの液面である。そこで、溶解ガラスの液面となる個所を境界として２箇所の測定点を任意に決定し、両測定点間の抵抗値を測定することとする。ここで、設定する２つの測定点については、特に限定することはなく、溶解ガラスの液面を跨いでいれば良い。従って、図２（ａ）のように、溶解槽１０の壁面の溶解ガラス液面２０付近の抵抗値を測定してもよく、図２（ｂ）のように、溶解槽の縁及び底を利用して測定点を設定しても良い。但し、測定値（の挙動）の精度を考慮すれば、両者の間隔は狭い方が好ましい。具体的には、両測定点間の距離は１ｍ以下とするのが好ましい。

ガラス溶解槽壁面の抵抗値の測定方法については、測定点間に電流を流し、その際の電圧値及び電流値より抵抗値を算出する。この際、印加する電流は交流電流又は極性を交互に変化させた直流電流を印加するのが好ましい。直流電流を直接印加する場合、電流印加に伴いガラスの電解が発生し、ガラス中の酸化ケイ素等の酸化物の還元により溶融ガラス中に発泡が生じるからである。尚、この抵抗値の測定は、連続的に行ってもよいし、定期的断続的に行ってもよい。

本発明によれば、ガラス溶解槽の破損の予測を使用中に行なうことが可能であり、抵抗値のみの測定を必要とするものであるから簡易に行なうことのできる方法である。そして、抵抗値を測定する測定手段を接続するガラス溶解槽を用いることで、ガラス製造を安定的に行なうことができる。このときのガラス溶解槽としては、溶解ガラスの液面を境とした２箇所の測定点に、抵抗値の測定用のリードを壁面に備えるガラス溶解槽用いるのが適切である。尚、この測定用リードを備えるガラス溶解槽のリードは、ガラス溶解時の温度を考慮して直径０．５〜１．０ｍｍの白金線を溶接で取り付けるのが好ましい。

以上説明したように本発明によれば、高温下で繰返し応力を受ける白金系材料の金属疲労による破断寿命を簡易に評価できる。そして、この方法は、ガラス溶解槽の余寿命を使用中に予測することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。

第１実施形態：ここでは、種々の白金系材料を用意し、これらに熱疲労応力を負荷し、材料破断が生じるまでの間、応力負荷毎に抵抗値を測定すると共に、破断が生じた際の応力負荷回数を測定した。今回、評価対象とした白金系材料は、いずれも、ガラス溶解槽の構成材料に適用されている粒子分散強化型の強化白金である。具体的には、以下の強化白金及び白金を用いた。

試料１：ジルコニア分散型強化白金（分散粒子の平均粒径：０．１μm以下）
試料２：ジルコニア分散型強化白金（分散粒子の平均粒径：約０．２μm）
試料３：ジルコニア分散型強化白金（分散粒子の平均粒径：約０．３μm）
試料４：白金

評価試験に際しては、各材料を図３（ａ）のようなパイプ形状の試料３０とし、測定装置にセットした。この測定装置では、図３（ｂ）のようにパイプ形状の試料３０を交流電源３１により通電加熱して一定温度とし、加熱しつつ所定時間経過毎に帯状のエアーノズル３２から空気をブローすることによる試料を局所的な冷却、昇温を繰り返し行うようになっている。尚、試料３０のブローする箇所以外は保温材３３で覆っている。そして、試料の抵抗値、応力負荷回数をブロー毎に測定し記録するようになっている。ここでの、試験条件は、試料の加熱温度を１２００℃とし、２０秒間隔で３秒間のブローを行った。尚、１回のブローで５０℃前後の温度低下が見られた。

図４は、試料１〜試料３についての疲労評価試験の結果を示す。図から把握されるように、各試料共に試験開始後の抵抗値は略一定或いは極めて緩やかな上昇を示すが、試料１，２については６.５〜７．５万回のブローの後から、試料３については３．５万回のブローの後から抵抗値の急激な上昇が見られる。そして、抵抗値の急上昇後１．５〜２万回のブローの後にいずれの試料も破断している。また、図５は試料４の疲労試験結果を示すが、試料４（白金）は強化白金よりも疲労強度が低く、６千回のブローで抵抗値の急上昇が生じ、それから２千回のブローで破断が生じている。但し、いずれの試料においても破断が生じる前に抵抗値の上昇が見られた。

第２実施形態：以上の結果を踏まえ、実機のガラス溶解槽（材質：第１実施形態で使用した試料３と同材質の白金系材料（ＺｒＯ_２分散強化白金）、寸法：直径５２０ｍｍ×高さ５００ｍｍ×厚さ１．２ｍｍ）についての抵抗値測定を行った。溶解ガラス液面を境界として、１５ｃｍの間隔をとり、測定点を設定し、リード（白金線：直径０．８ｍｍ）を溶接で取り付けた。そして、このリードに交流電源及び電圧計を接続し、連続的に電流（２０Ａ）を流しつつ電圧値を測定して抵抗値をモニタリングした。このとき、測定開始から抵抗値は略一定で推移したが、２１７日後に抵抗値の増大がみられた。そして、抵抗値はその後も上昇しつづけ、更に２４２日後には溶解槽内面にクラックが生じた。抵抗値の上昇から破断までの２５日という時間は、新規のガラス溶解槽の製造が十分可能な期間である。従って、抵抗値の上昇がみられた段階で新規の溶解槽を準備し交換することで、ガラス溶解作業の中断を生じさせることなく効率的な作業が可能となるものと考えられる。

ガラス溶解槽破損の機構を説明する図。 抵抗値側箇所の例を示す図。 本実施形態での疲労試験の試料及び試験装置の図。 試料１〜試料３のブロー回数−抵抗値のグラフ。 試料４のブロー回数−抵抗値のグラフ。 一般的なガラス溶解槽の構造を示す図。

符号の説明

１０ ガラス溶解槽
１１ ガラス原料（ガラスカレット）
１２ 溶解ガラス
２０ 液面
３０ 試料
３１ 電源
３２ エアーノズル
３３ 保温材

Claims (4)

1. 白金系材料からなるガラス溶解槽について、溶融ガラスの液面で生じる金属疲労による破断発生までの余寿命を予測する方法であって、
   前記ガラス溶解槽壁面の前記溶解ガラスの液面を跨ぎ、かつ、その間隔が１ｍ以下となる２箇所の測定点を設定し、
   設定された前記２箇所の測定点間に交流電流又は極性を交互に変化させた直流電流を印加してその際の抵抗値を測定し、前記抵抗値の変化により余寿命の判断をするガラス溶解槽の余寿命予測方法。
2. 白金系材料は、白金、白金-ロジウム合金、白金−金合金、白金−ロジウム−金合金、粒子分散強化型強化白金である請求項１記載のガラス溶解槽の余寿命予測方法。
3. 白金系材料からなるガラス溶解槽において、
   上下する溶融ガラスの液面を跨ぎ、かつ、その間隔が１ｍ以下となる２箇所の測定点に、金属疲労による余寿命を予測する基準となる抵抗値を測定するためのリードを壁面に備えることを特徴とするガラス溶解槽。
4. 白金系材料は、白金、白金-ロジウム合金、白金−金合金、白金−ロジウム−金合金、粒子分散強化型強化白金である請求項３記載のガラス溶解槽。
   

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