JP5739934B2 - 金属を被覆するためのケイ酸カリウムフリット - Google Patents
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Description
上述したように、ケイ酸カリウムガラス自体は、85−90×10-7/℃の範囲の単に中程度の膨張を有するが、それらのガラスは、120−180×10-7/℃の範囲にあるより高い熱膨張係数を有する金属に対して強力な接着特性を示す。このコーティングプロジェクトについて、表2に要約されているように、あるケイ酸カリウムガラス組成物を評価した。それらのガラスは四ケイ酸塩である傾向にあったことに留意されたい。すなわち、K2O:SiO2のモル比は1:4である。しかしながら、セクションIIIに論じされる「反応セラミック化」と称されるプロセスにおいて白榴石(K2O−Al2O3−4SiO2)を形成するための前駆体として元々は意図されているので、これらのケイ酸カリウムガラスは、充填剤を含まない純粋なガラスとして、および不活性充填剤が添加されたガラスの両方でのコーティングとして、その中とそれ自体に有用であることが判明した。
具体例13−2のガラス組成物は、ずっと高い熱膨張係数を有する金属基体に良好に結合するようであるが、石油化学精製に見られる高圧運転温度(high potential operating temperature)での比較的低い熱膨張係数および低粘度の両方に関するもっともな問題に対処する必要がある。前述したように、コーティングと基体との間にどのように良好な接着がなされていたとしても、熱膨張係数の差により、ガラスまたはガラスセラミックのコーティングに亀裂が生じたり、金属基体から剥落することが多い。ここでも、低粘度のために、潜在的に、ガラス質コーティングが金属基体から流れ落ちるかもしれず、したがって、最初にコーティングを施すことにより金属に与えることを望んでいるどのような保護もうち消されてしまう。エチレン精製機中に見られるガス流は音速に近い。そのような速度では、ガラス質コーティングが軟らかすぎる場合、流れがコーティング層を運び去るかもしれず、これは、任意のチュービング基体の内部の金属表面から、流し去られ、容易に除去されるであろう。したがって、別の検討事項は、ガラスとガラスが被覆する金属表面との間の熱膨張係数における適度な一致にある。このことは、オーステナイト系合金が用いられる場合、これらの合金は、130−180×10-7/℃の範囲の高いCTEを有する傾向にあるので、特に重要になる。
a) 酸化物基準のモルパーセントで表して、72.0−85.0%のSiO2、12.0−17.0%のK2O、0.0−5.0%のAl2O3、および0.0−10.0%のMgOから実質的になる組成を有するガラスを80%;
b) 酸化物基準のモルパーセントで表して、60.0−65.0%のSiO2、12.8−14.8%のK2O、16.3−22.0%のAl2O3、4.5−7.5%のNa2O、および5.0%のTiO2から実質的になる組成を有し、190−210×10-7/℃のCTEを有する白榴石−霞石充填剤を13.0−18.0%;および/または
c) ジルコニアを4.0−22.0%;
実質的に有してなる組成を持つ。
様々な金属基体の表面を隔離し、保護するためのコーティングを製造するより効果的な手法として、本発明の一部として、ガラス質コーティングまたはガラスセラミック中に主結晶相として白榴石を形成するより効率的な方法を実験し、開発した。白榴石は、200×10-7/℃よりも大きい、非常に高い熱膨張係数を持つ高融点材料(T溶融=1693℃)である。過去において、白榴石は、バルク核形成により緩慢にしか結晶化しないので、従来のガラスセラミック経路によりガラスセラミック中に単相として得ることは難しかった。本出願人による代わりの方法は、米国特許第5094677号(モレナ(Morena))明細書に記載されたように、「反応セラミック化」と称されるプロセスに基づいている。
ガラス+反応体→白榴石
により説明することができる。反応セラミック化プロセスは前駆体ガラスを必要とするが、このプロセスは、前駆体ガラスへの組成的制限に関して、ガラス→結晶相と記載できる、従来のガラスセラミックプロセスによる結晶化物体の製造とは異なっている。従来のガラスセラミックプロセスにおいて、ガラス体中で発生する結晶の生成を最小にすることに注目が注がれているので、したがって、出発ガラスは、所望の最終結晶性製品に近い組成対応を持たなければならない。
a) 酸化物基準のモルパーセントで表して、62.0−82.0%のSiO2、12.0−22.0%のK2O、0.0−5.0%のAl2O3、0.0−5.0%のMgO、および0.0−20.0%のZnOから実質的になる組成を有する前駆体ガラスフリットを70.0−85.0%;
b) アルミナ反応体を15.0−25.0%;
c) 低融点マグネシウムフリットを0.0−4.0%;および
d) 焼結助剤として機能する微細シリカを0.0−9.0%;
を実質的に有してなる組成を持ち、
アルミナ反応体は、前駆体ガラスフリットと適切な比率で反応して、白榴石のものに類似した化学量論を持つ生成物を生成する。
Claims (8)
- 化学製造プロセスにおいて炭素粒子を引き付ける金属表面を隔離する方法であって、少なくとも80×10-7/℃の熱膨張係数(CTE)を有する、K2O、SiO2およびAl2O3から実質的になるコーティングを前記金属表面に施す工程を有してなり、該コーティングが、白榴石の主結晶相を持ち、ガラスを含む反応により前記金属表面上にその場で形成されるセラミックからなり、
白榴石の主結晶相を持つ前記セラミックが、重量パーセントで表して、
a) 酸化物基準のモルパーセントで表して、62.0−82.0%のSiO 2 、12.0−22.0%のK 2 O、0.0−5.0%のAl 2 O 3 、0.0−5.0%のMgO、および0.0−20.0%のZnOから実質的になる組成を有する前駆体ガラスフリットを75.0−85.0%;
b) アルミナ反応体を15.0−25.0%;
c) 低融点マグネシウムフリットを0.0−4.0%;および
d) 焼結助剤として機能する微細シリカを0.0−9.0%;
を有してなる組成を持ち、
前記アルミナ反応体は、前記前駆体ガラスフリットと適切な比率で反応して、白榴石の化学量論を持つ生成物を生成する、
ことを特徴とする方法。 - 化学製造プロセスにおいて炭素の有害な影響から金属表面を保護する、少なくとも80×10 -7 /℃の熱膨張係数(CTE)を有する保護用ガラス質コーティングを形成する方法であって、
主結晶相として白榴石を有するセラミックを反応生成するような比率で、ケイ酸カリウムガラスおよびAl2O3含有材料を含む混合物を施す工程を有してなり、
前記ケイ酸カリウムガラスが、酸化物基準のモルパーセントで表して、62.0−75.0%のSiO 2 、15.0−22.0%のK 2 O、0.0−5.0%のAl 2 O 3 、0.0−18.0%のRO、および0.0−10.0%のR 2 Oから実質的になり、ここで、ROが、ZnO、MgO、CaOおよびBaOからなる群より選択される金属酸化物であり、R 2 Oが、Na 2 OおよびLi 2 Oからなる群より選択される金属酸化物である、
ことを特徴とする方法。 - 化学製造プロセスにおいて炭素の有害な影響から金属表面を保護する、少なくとも80×10 -7 /℃の熱膨張係数(CTE)を有する保護用ガラス質コーティングを形成する方法であって、
主結晶相として白榴石を有するセラミックを反応生成するような比率で、ケイ酸カリウムガラスおよびAl 2 O 3 含有材料を含む混合物を施す工程を有してなり、
前記ケイ酸カリウムガラスが、酸化物基準のモルパーセントで表して、62.0−68.0%のSiO2、17.0−20.0%のK2O、0.0−3.0%のAl2O3、0.0−16.0%のRO、および0.0−10.0%のR2Oから実質的になり、ここで、ROが、ZnO、MgO、CaOおよびBaOからなる群より選択される金属酸化物であり、R2Oが、Na2OおよびLi2Oからなる群より選択される金属酸化物である、
ことを特徴とする方法。 - 前記セラミックが、
a) (K2O−2SiO2)の化学量論から、(K2O−4SiO2)や、白榴石(K2O−Al2O3−4SiO2)の化学量論まで異なる組成を持つケイ酸カリウムガラスバッチを溶融し、
b) このバッチ溶融物をガラス体に冷却し、
c) 該ガラス体をフリットに粉砕し、
d) 該ガラスフリットを、白榴石の化学量論を持つ生成物を生成するような適切な比率でAl2O3含有材料と混合し、
e) この混合物を、前記ガラスフリットが前記Al2O3含有材料と反応して、主結晶相として白榴石を含有する高結晶質製品を生成するのに十分な時間に亘り、1100−1200℃の範囲の温度で焼成する、
各工程を有してなる、反応セラミック化として知られるプロセスにより生成されることを特徴とする請求項2または3記載の方法。 - 前記Al2O3含有材料がアルミナであることを特徴とする請求項2または3記載の方法。
- 前記Al2O3含有材料が、12μmを超えない平均粒径を有する粒子形態にあることを特徴とする請求項2または3記載の方法。
- 前記Al2O3含有材料が、0.2−0.5μmの範囲にある平均粒径を有する粒子形態にあることを特徴とする請求項2または3記載の方法。
- 金属上にその場で、化学製造プロセスにおいて炭素の有害な影響から金属表面を保護するガラス質コーティングを合成する方法であって、
a) モルパーセント基準で、69.0−74.0%のSiO2、13.0−20.5%のK2O、0.0−5.0%のAl2O3、0.0−1.0%のMgO、および0.0−17.0%のZnOから実質的になる組成を有する前駆体ガラスフリットと、被覆すべき金属の基体を用意し、
b) 該前駆体ガラスフリットを、白榴石の化学量論を持つ生成物を生成するのに適切な比率でAl2O3含有材料と混合し、
c) この混合物を前記金属の基体上に堆積させ、
d) 前記ガラスフリットと前記Al2O3含有材料を反応させるのに十分な時間に亘り、少なくとも1100−1200℃の温度で前記混合物を焼成して、主結晶相として白榴石を含有する高結晶質コーティングを形成する、
各工程を有してなることを特徴とする方法。
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