JP5066149B2 - セラミックス成形体の焼成方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス成形体の焼成方法に関するものであり、特に、例えば熱電対保護管や治具、フィルター等に用いられるセラミックス長尺品において、焼成時に成形体の長手方向に生じる反りを低減させることができる焼成方法に関する。

従来、長尺のセラミック成形体の焼成方法としては、被焼成物である成形体を、図４（ａ）に示すような平板状の耐火物１０１や、図４（ｂ）に示すような上面にＶ字状の溝が刻設された板状の耐火物１０２の上に、水平に寝かせて焼成する方法があった。

しかし、平板状の耐火物１０１やＶ字状の溝を有する板状の耐火物１０２を支持体（セッター）とし、その上にセラミックス成形体を載置して寝かせ焼きする方法の場合、セラミックス成形体を焼成する際に耐火物１０１，１０２がクリープ変形する。

そして、従来は、支持体（耐火物１０１，１０２）として例えば気孔率が低くクッション性がない緻密質耐火物を用いていたため、前記支持体の変形がそのまま焼成体の反りとして残りやすく、製品の直線性低下の原因となっていた。

また、従来、筒状の支持具内にセラミックス成形体を垂直に立てて焼成する方法や、焼成炉内に設置した焼成支持具にセラミックス成形体を掛止めして吊下状に支持して焼成する方法もあった（例えば特許文献１）。

しかし、筒状の支持具内に垂直に立てて焼成する方法や吊焼きによる方法の場合は、被焼成物の上下方向で温度差を生じ易いため、得られる焼成体の品質が均一でないという問題があった。加えて、吊焼きによる方法は、セラミックス成形体を焼成支持具に掛止めするのに手間がかかり、大量生産には向かないものであった。

そこで、焼成炉内の上下方向の温度差の影響を受けにくく、成形体を順次セットする作業も容易に行える寝かせ焼きにおいて、焼成体に生じる反りを低減できる方法が求められていた。

特開昭６３−１９０７６４号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の寝かせ焼きによる方法では、支持体として用いる平板状の耐火物がクリープ変形し、その変形の影響を受けて焼成体にも反りが生じていたという点である。さらに、焼成時におけるセラミックス成形体の変形を支持体が吸収できず、焼成体に反りが生じていた点である。

上記の課題を解決するため、本発明のセラミックス成形体の焼成方法は、
セラミックス成形体を複数の支持体の上に載置して焼成する方法であって、前記セラミックス成形体の、長手方向両端部は緻密質耐火物またはセラミックスからなる両端用支持体に、長手方向中間部はファイバー質耐火物からなる中間用支持体に載置することを最も主要な特徴としている。

本発明では、複数の支持体をセラミックス成形体の長手方向に配置し、それらの支持体の上にセラミックス成形体を載置するようにしたので、平板状の１枚の支持体を用いた場合に比べて個々の支持体のクリープ変形量が小さくなる。加えて、本発明では、両端用支持体には緻密質耐火物またはセラミックスを、中間用支持体にはファイバー質耐火物を用いたので、焼成時におけるセラミックス成形体の変形は、ファイバー質耐火物からなる軟らかい中間用支持体がクッションの役割を果たして吸収することができる。したがって、本発明の焼成方法では、焼成体に生じる反りを低減させることができる。

本発明のセラミックス成形体の焼成方法の第１実施例を示すもので、両端用支持体と中間用支持体の上にセラミックス成形体を載置した状態を側面方向から見た図である。 本発明のセラミックス成形体の焼成方法の第２実施例を示す図である。 本発明のセラミックス成形体の焼成方法の第３実施例を示す図である。 従来の焼成方法において用いる支持体を示すもので、（ａ）は平板状の支持体、（ｂ）は上面にＶ字状の溝が刻設された板状の支持体を示す図である。

本発明では、長尺のセラミックス成形体を寝かせ焼きする場合において焼成体に生じる反りを低減させるという目的を、セラミックス成形体の、長手方向両端部は緻密質耐火物またはセラミックスからなる両端用支持体に、長手方向中間部はファイバー質耐火物からなる中間用支持体に、というように、セラミックス成形体を複数の支持体の上に載置することによって実現した。

両端用支持体は、セラミックス成形体の長手方向両端部を支持するセッターであり、本発明では緻密質耐火物かセラミックスを使用する。緻密質耐火物とセラミックスの組成及び製造方法の一例は、以下の通りである。

（緻密質耐火物）
組 成： Ａｌ₂ Ｏ₃ ９１質量％、 ＳｉＯ₂ ９質量％
製造方法： 粗粒（ミリ単位）と微粒（ミクロン単位）の原材料を配合し、この原材料にバインダー及び水を添加して、成形し、熱処理（乾燥、焼成）して製造する。
気孔率： ２０％未満

（セラミックス）
組 成： Ａｌ₂ Ｏ₃ ９５質量％、 ＳｉＯ₂ ５質量％
製造方法： 超微粉（サブミクロン単位）で高純度の原材料粉末を使い、バインダー及び水を添加して、成形し、熱処理（乾燥、焼成）して製造する。

中間用支持体は、両端用支持体の間に配置され、セラミックス成形体の長手方向中間部を支持するセッターであり、本発明ではファイバー質耐火物を使用する。ファイバー質耐火物の組成及び製造方法の一例は、以下の通りである。

（ファイバー質耐火物）
組 成： Ａｌ₂ Ｏ₃ ９３質量％、 ＳｉＯ₂ ７質量％
製造方法： 一旦溶融させた原料を使って繊維を作った後、成形して製造する。

本発明において両端用支持体として使用する緻密質耐火物及びセラミックスの熱膨張係数、中間用支持体として使用するファイバー質耐火物の熱収縮係数の一例は、夫々以下の通りである。
緻密質耐火物の熱膨張係数 ： ５×１０^-6（１／℃）
セラミックスの熱膨張係数 ： ９×１０^-6（１／℃）
ファイバー質耐火物の熱収縮係数： ４×１０^-6（１／℃）

本発明では、成形体の焼成前における中間用支持体と両端用支持体の夫々の高さ（上下方向の厚み）は、差を設けず高さを等しくすることも可能である。しかし、上記例示のとおり、焼成時、両端用支持体は熱膨張するのに対し、中間用支持体は熱収縮することを考慮すれば、本発明では、中間用支持体の焼成前の高さを、両端用支持体の焼成前の高さよりも高くする方がより好ましい。セラミックス成形体の焼成中に中間用支持体と両端用支持体の高さが揃うようにする方が、焼成体に生じる反りの抑制効果がさらに良好になるからである。

上記の場合、両支持体の高さの差をどの程度にするかは、両端用支持体の熱膨張係数、中間用支持体の熱収縮係数、焼成温度等に応じて設計する。例えば、両端用支持体の高さが１００ｍｍ、熱膨張係数が５×１０^-6／℃、中間用支持体の高さが１００ｍｍ、熱収縮係数が４×１０^-6／℃で、１６００℃で焼成する場合、その最高温度で両支持体の高さが等しくなるようにするためには、焼成時に、
両端用支持体： 100mm × 5×10^-6／℃ × 1600℃ ＝ 8.0×10^-1 mm の熱膨張
中間用支持体： 100mm × 4×10^-6／℃ × 1600℃ ＝ 6.4×10^-1 mm の熱収縮
が見込まれるので、中間用支持体の焼成前の高さを、両端用支持体の焼成前の高さよりも１．４４ｍｍ高くする。

以下、本発明を実施するための各種の形態と共に最良の形態を、図１〜図３を用いて詳細に説明する。

先ず、平均粒径２０μｍのアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）に助剤としてマグネシア（ＭｇＯ）を０．５質量％添加した粉末に、水１０質量％と、バインダーとしてセルロースを５質量％、滑剤としてグリセリン４質量％を加えて混合し、はい土を調整した。このはい土を押出成形し、φ２０×１２００ｍｍの棒状のセラミックス成形体を得た。

図４（ｂ）に示すような、上面にＶ字状の溝が刻設された耐火物をセッターとして使用し、上記の方法により得られたセラミックス成形体を載置し、１６００℃で焼成する方法を比較例とした。焼成後の焼成体を定盤上に載せると、定盤と焼成体の間に隙間ができ、焼成体を回転させると、あるところで定盤表面との間の隙間の距離が最大になる。このときの距離をスキミゲージで測定したところ、比較例の方法で得られた焼成体には最大で約４ｍｍの反りが生じていることが確認された。

第１実施例の焼成方法では、図１に示すように、前記棒状のセラミックス成形体３の長手方向両端部に緻密質耐火物かセラミックス（セラミックス成形体の長手方向の長さ：２０ｍｍ、上下方向の高さ：３０ｍｍ、組成は夫々前記例示のとおり）からなる両端用支持体１を夫々配置し、両端用支持体１の間のセラミックス成形体３の長手方向中間部にはファイバー質耐火物（セラミックス成形体の長手方向の長さ：１２０ｍｍ、上下方向の高さ：３０ｍｍ、組成は前記例示のとおり）からなる中間用支持体２を、夫々２００ｍｍの間隔を存して複数個配置した。この両端用支持体１と中間用支持体２の上に、上記の方法により得られたセラミックス成形体３を載置し、１６００℃で焼成し、焼成体を得た。焼成後の焼成体を上記と同じ方法で測定したところ、反りは０．５ｍｍ以下となり、良好な結果が得られることが確認された。

次に、第２実施例は、焼成温度１６００℃で最高温度に達したときの中間用支持体２の熱収縮量と両端用支持体１の熱膨張量の差Ｄを予め求めておき、図２に示すように、中間用支持体２の焼成前の高さを、両端用支持体１の焼成前の高さよりも、上記差Ｄの分だけ高くして、セラミックス成形体３を焼成する方法である。焼成後の試料の反りを上記と同じ方法で測定したところ、反りは０．３ｍｍ以下となり、第１実施例よりもさらに良好な結果が得られることが確認された。

第２実施例では、図２に示すように、１つの中間用支持体２ａの上面に幅２０ｍｍ、深さ１０ｍｍのスリット２ｂを設けている。このようにすれば、セラミックス成形体３に含まれるバインダーの成分が焼成時に液化又はガス化して抜けるときにスリット２ｂを通じて除去され易くなり、クラックの発生を低減できるので、好適である。なお、図２では、上方向に開口したスリット２ｂを有する中間用支持体２ａを一部に使用する場合の例を示しているが、中間用支持体の全部に同様の構成を適用しても良い。

第３実施例は、図３に示すように、セラミックス成形体３が水平面Ａに対して角度θだけ傾斜した状態となるように、両端用支持体１及び中間用支持体２の上面を直線状に傾斜させた焼成方法である。傾斜角度θが３°、５°、２０°、４０°、４３°になるように、両端用支持体１及び中間用支持体２の高さ及び上面の形状を変えて第１実施例、第２実施例と同様の試験をしたところ、結果は表１に示すとおりとなった（第１実施例、第２実施例、比較例のデータも併せて表示している。）。

表１に示すとおり、セラミックス成形体３の傾斜角度θを３°以上とすると、傾斜させない第１実施例と比較して、焼成体に生じる反りを抑制する効果が向上することが確認された。但し、４０°を超えて例えば４３°とした場合、セラミックス成形体３が両端用支持体１及び中間用支持体２からずれ落ちて、セラミックス成形体３に疵を付ける場合がある。したがって、セラミックス成形体３を水平面Ａに対して傾斜させた状態で焼成する方法を採用する場合、水平面Ａに対する傾斜角度θは３〜４０°の範囲とすることが好ましい。

なお、図１〜図３は、両端用成形体１、中間用成形体２とそれらの上に載置したセラミックス成形体３を側方から見た状態を示したもので、セラミックス成形体３を１つだけ図示しているが、長尺のセラミックス成形体３をその長手方向と直交する方向に複数本並べて載置できる幅を有する両端用成形体１及び中間用成形体２を使用すれば、複数のセラミックス成形体３を同時に焼成できる。

また、本実施例では、押出成形によってセラミックス成形体３を得る例を示したが、泥漿鋳込み成形（スリップキャスト成形）、ＣＩＰ成形（Cold Isostatic Press成形）など他の方法によって反りの無い成形体を得ても良い。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、第２実施例においてファイバー質耐火物からなる中間用支持体の上面にスリットを設ける構成を説明したが、同構成は、第１実施例や第３実施例の中間用支持体に対しても適用きる。また、セラミックス成形体を水平に載置して焼成する第２実施例において中間用支持体の焼成前の高さを両端用支持体の焼成前の高さよりも高くする構成を説明したが、このように中間用支持体の高さを両端用支持体の高さよりも若干高くしておく構成は、セラミックス成形体を水平面に対して傾斜させた状態で焼成する第３実施例に対しても適用できる。

本発明の焼成方法は、例えばパイプ状、棒状など、どのような形状のセラミックス成形体にも適用できる。

１ 両端用支持体
２，２ａ 中間用支持体
２ｂ スリット
３ セラミックス成形体

Claims (4)

1. セラミックス成形体を複数の支持体の上に載置して焼成する方法であって、前記セラミックス成形体の、長手方向両端部は緻密質耐火物またはセラミックスからなる両端用支持体に、長手方向中間部はファイバー質耐火物からなる中間用支持体に載置することを特徴とするセラミックス成形体の焼成方法。
2. 前記中間用支持体の焼成前の高さを、前記両端用支持体の焼成前の高さよりも高くしたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス成形体の焼成方法。
3. 前記中間用支持体の上面にスリットを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス成形体の焼成方法。
4. 前記セラミックス成形体が水平面に対して３〜４０°傾斜した状態となるように、前記両端用支持体及び前記中間用支持体の上面を傾斜させたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のセラミックス成形体の焼成方法。

Images