JP6272127B2

JP6272127B2 - 加熱体の保護管

Info

Publication number: JP6272127B2
Application number: JP2014091534A
Authority: JP
Inventors: 大崎　誠; 誠大崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: JP2015210016A

Description

本発明は、金属を溶融するために用いられる加熱体（ヒーター）の保護管に関するものである。

従来、自動車などの部品の製造において、アルミニウム、亜鉛、銅、マグネシウムまたはこれらの合金からなる金属（以下、単に金属ともいう。）を溶融した溶融金属を鋳型に流し込み、冷却固化することで所望形状の部品を得る鋳造技術が用いられている。ここで金属は、所定の容器内においてヒーターで加熱されることによって溶融されるものであり、ヒーターは、溶融金属に対して濡れにくい窒化珪素質焼結体からなる保護管により保護されている。

そして、この窒化珪素質焼結体からなる保護管においては、熱伝導性や機械的特性の向上を目的として様々な提案がなされている。

例えば、特許文献１には、70Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する保護管や、600ＭＰａ
以上の４点曲げ強度を有する保護管が提案されている。

特開2002−249381号公報

しかしながら、近年では、鋳造効率向上の観点から溶融金属の容器が大型化してきており、これに伴って保護管の大型化が求められていることから、窒化珪素質焼結体からなる保護管には、更なる機械的特性の向上が求められている。

本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、機械的特性の高い窒化珪素質焼結体からなる保護管を提供することを目的とする。

本発明は、一端が開口し、他端が封止されており、筒状の胴部と、該胴部と繋がるＲ部を含む底部とを有する窒化珪素質焼結体からなる加熱体の保護管であって、前記胴部の厚み方向に沿った断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＡ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＢとしたとき、Ｂ／Ａの値が２以上であることを特徴とするものである。

本発明の加熱体の保護管は、機械的特性に優れているため、ヒーターの保護における信頼性が高く、大型化に対応することができる。

本実施形態の保護管の一例を示す縦断面図である。本実施形態の保護管の胴部の厚み方向に沿った断面におけるＸ線チャートである。

以下、本実施形態の保護管について説明する。

図１は、本実施形態の保護管１の一例を示す縦断面図であり、熱源供給電源３に接続されたヒーター２を収容した例を示している。

本実施形態の保護管１は、一端が開口し、他端が封止されており、筒状の胴部１ａと、胴部１ａと繋がるＲ部を含む底部１ｂとを有する窒化珪素質焼結体からなり、胴部１ａの厚み方向に沿った断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＡ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＢとしたとき、Ｂ／Ａの値が２以上である。

次に、図２は、本実施形態の保護管１の胴部１ａの厚み方向に沿った断面におけるＸ線チャートである。なお、胴部１ａの厚み方向に沿った断面とは、例えば、図１において矢印で示すＣＳ１のことである。

図２において縦軸はピーク強度であり、横軸は２θである。そして、図２に示すＸ線チャートにおいて、２θ＝23.4°に存在するβ−窒化珪素のピークが示す面指数は（110）
面であり、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピークが示すミラー指数は（002）面である。
この（110）面のピーク強度と（002）面のピーク強度との比率が２以上であるということは、針状のβ−窒化珪素の結晶粒子が軸方向（保護管１の長手方向）に配列しているということである。このような、結晶粒子の配列により、胴部１ａは、衝撃や押圧に耐え得る機械的特性が向上した保護管１となる。特に、Ｂ／Ａの値が、4.5以上であることが好適
である。

また、本実施形態の保護管１は、Ｒ部の厚み方向に沿った断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＣ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＤとしたとき、Ｄ／Ｃの値が２以上であることが好適である。なお、Ｒ部の厚み方向に沿った断面とは、例えば、図１において矢印で示すＣＳ２のことである。保護管１において、Ｒ部は、ヒーター２を収容した保護管１の引き上げ時に容器に接触したり、保護管１の搬送時に周囲の物に接触したりしやすい部分であるが、上記構成を満たしていることにより、Ｒ部は、機械的特性に優れていることから、破損するおそれが少なくなる。

また、本実施形態の保護管１は、胴部１ａおよび底部１ｂが一体型からなることが好適である。ここで一体型とは、胴部１ａおよび底部１ｂとの境界に、接着層や接合層が無い、若しくは確認されないもののことである。胴部１ａと底部１ｂとが一体型からなるときには、胴部１ａおよび底部１ｂとの境界における機械的特性の低下が少ないため、長期間にわたる使用が可能となる。

次に、本実施形態の保護管の作製方法の一例を以下に説明する。

まず、胴部の断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＡ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＢとしたときのＢ／Ａの値が２以上となる胴部の作製方法について説明する。

平均粒径が0.5〜10μｍの窒化珪素原料と、Ｙ，Ａｌの酸化物からなる焼結助剤を用意
する。そして、窒化珪素原料を所望量秤量するとともに、この窒化珪素原料100質量％に
対し、Ｙ，Ａｌの酸化物からなる焼結助剤を１〜10質量％秤量する。また、窒化珪素原料と焼結助剤の合計100質量％に対し、バインダとしてボリビニルアルコール（ＰＶＡ）お
よびＷＡＸエマルションを合計で15〜35質量％、水を３〜10質量％となるようそれぞれ秤量する。そして、秤量後の窒化珪素原料、焼結助剤、バインダ、水をニーダーなどの混合装置に投入して混練することにより、粘土状原料を得る。

次に、３本ロールミルを用いて粘土状原料をさらに混練することにより、窒化珪素原料、焼結助剤、バインダおよび水の相互分散性が高い坏土を得る。その後、所定形状の金型が取り付けられた押出成形機内に投入して成形する。なお、このとき、金型の内面と中子の外面とに接しながら坏土が押し出されることにより、胴部が形成されることとなるが、金型の内面と中子の外面とに接する距離の調整によって、胴部の断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＡ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＢとしたときのＢ／Ａの値を調整することができる。

このＢ／Ａの値が1.5であるときの金型の内面と中子の外面とに接する距離を１とすれ
ば、この距離を1.08以上とすることにより、Ｂ／Ａを２以上とすることができ、1.4以上
とすることにより、Ｂ／Ａを4.5以上とすることができる。

なお、このように、金型の内面と中子の外面とに接する距離が調整された金型より押し出された筒状の成形体を乾燥させた後、還元雰囲気中で1800〜2100℃の最高温度にて焼成することにより、本実施形態の保護管を構成する胴部を得ることができる。そして、例えば、プレス等で成形して焼成して得られた底部を接合することにより、本実施形態の保護管を得ることができる。

次に、Ｒ部の断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＣ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＤとしたときのＤ／Ｃの値が２以上となる底部の作製方法について説明する。

上述した構成の底部については、胴部形成時同様に、押出成形によって形成する。坏土までの測定方法は、胴部を形成したときと同じであるため省略する。そして、胴部形成時に用いた金型（距離1.1）の坏土排出側に底部が形成可能な窪みを有する外型を取り付け
、この窪みが充満されるまで坏土を押し出した後、外型を取り外し、さらに少し坏土を押し出した後、切断する。

次に、切削加工により、所定形状とした後、乾燥、焼成することにより、底部を得ることができる。そして、上述した胴部と接合することにより、Ｒ部におけるＤ／Ｃの値が２以上である底部を有する本実施形態の保護管を得ることができる。

また、胴部および底部が一体型からなる保護管を得るには、上述した底部の形成時において、外型を取り外した後、そのまま胴部を形成すればよい。なお、胴部、底部等の形成において、焼成後に研削加工を施してもよいことはいうまでもない。

このようにして作製されたＢ／Ａが２以上である胴部や、Ｄ／Ｃが２以上である底部は、同じ原料を用いて、金型プレス成形や静水圧プレス（ＣＩＰ）成形により作製されたものより優れた機械的特性を有するものとなる。

また、このように押出成形によって得られた胴部および底部は、金型プレス成形や静水圧プレス（ＣＩＰ）成形により作製されたものよりボイド率が低くなる、そのため、溶融金属との接触面積が小さくなることから、耐食性が向上し、ヒーターの保護を長期間にわたって行なうことができるものとなる。

なお、ボイド率とは、胴部や底部の任意の断面を鏡面研磨した後、走査型電子顕微鏡や金属顕微鏡によりその表面を観察した画像を取り込み、画像解析ソフトを用いて算出できるものであり、観察面積におけるボイド総面積の占有率のことである。ここで、画像解析ソフトとは、例えば、「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）が挙げられる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

作製方法または金型の内面と中子の外面とに接する距離を異ならせた胴部を作製し、４点曲げ強度を比較する試験を行なった。

まず、平均粒径が２μｍの窒化珪素原料と、Ｙ，Ａｌの酸化物からなる焼結助剤を用意する。そして、窒化珪素原料を所望量秤量するとともに、この窒化珪素原料100質量％に
対し、Ｙ，Ａｌの酸化物からなる焼結助剤を合計で８質量％秤量した。また、窒化珪素原料と焼結助剤の合計100質量％に対し、バインダとしてボリビニルアルコール（ＰＶＡ）
およびＷＡＸエマルションを合計で20質量％、水を５質量％となるようそれぞれ秤量した。そして、秤量後の窒化珪素原料、焼結助剤、バインダ、水をニーダーに投入して混練することにより粘土状原料を得た。

次に、３本ロールミルを用いて粘土状原料をさらに混練することにより、窒化珪素原料、焼結助剤、バインダおよび水の相互分散性が高い坏土を得た。そして、得られた坏土を押出成形機内に投入して筒状の成形体を得た。なお、試料Ｎｏ．１の金型の内面と中子の外面とに接する距離を基準とし、試料Ｎｏ．２については、試料Ｎｏ．１の1.08倍、試料Ｎｏ．３については、試料Ｎｏ．１の1.24倍、試料Ｎｏ．４については、試料Ｎｏ．１の1.4倍とした。

そして、得られた筒状の成形体を乾燥させた後、還元雰囲気中で1800〜2100℃の最高温度にて焼成することに胴部を得た。

また、同じ窒化珪素原料および焼結助剤等を用い、焼結体組成が試料Ｎｏ．１〜４と同じになるように調整したスラリーを作製し、噴霧乾燥させることにより顆粒を形成した。そして、この顆粒を用いてＣＩＰ成形し、切削加工し、乾燥および焼成することにより、試料Ｎｏ．５の胴部を得た。

そして、各試料、図１に示すＣＳ１のところで切断し、この切断面についてＸ線回折装置を用いて測定を行なった。その結果、２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＡ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＢとしたときのＢ／Ａの値が、試料Ｎｏ．１は1.5であり、試料Ｎｏ．２は２であり、試料Ｎｏ．３は３であり、試料Ｎｏ．４は4.5であり、試料Ｎｏ．５は0.8であった。

次に、ＪＩＳＲ 1601−2008（ＩＳＯ 17565：2003（ＭＯＤ））に準拠して試験片
を各試料から長手方向に切り出し、４点曲げ強度を測定した。

その結果、試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．５は同等であり、試料Ｎｏ．２で３％、試料Ｎｏ．３で５％、試料Ｎｏ．４で８％の４点曲げ強度の値の向上が見られた。

この結果より、胴部の厚み方向に沿った断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＡ、２θ＝63.9°のβ−
窒化珪素のピーク強度をＢとしたときのＢ／Ａの値が２以上であることにより、胴部の機械的特性が向上することがわかった。そして、このような胴部を有する保護管は、ヒーターの保護管における信頼性が高いものであることがわかった。

底部についても、ＣＩＰ成形により形成した底部と、押出成形により形成した底部を作製し、４点曲げ強度を比較する試験を行なった。

なお、ＣＩＰ成形により形成した底部を、以下、ＣＩＰ形成品という。このＣＩＰ成形品については、ＣＩＰ成形後の切削加工において底部形状となるようにしたこと以外は、実施例１の試料Ｎｏ．５と同様の作製方法で行なった。

また、押出成形により形成した底部を、以下、押出形成品という、この押出成形品については、実施例１の試料Ｎｏ．２で用いた金型を使用し、この金型の坏土排出側に底部が形成可能な窪みを有する外型を取り付け、この窪みが充満されるまで坏土を押し出した後、外型を取り外し、さらに少し坏土を押し出した後、切断した。そして、切削加工し、乾燥および焼成することにより、押出形成品を得た。

そして、各試料、図１に示すＣＳ２のところで切断し、この切断面についてＸ線回折装置を用いて測定を行なった。その結果、２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＣ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＤとしたときのＤ／Ｃの値が、ＣＩＰ形成品は0.8であり、押出形成品は、２であった。

次に、ＪＩＳＲ 1601−2008（ＩＳＯ 17565：2003（ＭＯＤ））に準拠して試験片
を、厚み方向が試験片の幅となるように切り出し、４点曲げ強度を測定した。

その結果、押出形成品は、４点曲げ強度の値でＣＩＰ形成品よりも５％の向上が見られた。

この結果より、Ｒ部の厚み方向に沿った断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝23.4°のβ−窒化珪素のピーク強度をＣ、２θ＝63.9°のβ−窒化珪素のピーク強度をＤとしたときのＤ／Ｃの値が２以上であることにより、Ｒ部の機械的特性が向上することがわかり、ひいては底部の機械的特性が向上することがわかった。そして、このような底部を有する保護管は、ヒーターの保護管における信頼性が高いものであることがわかった。

また、これらの結果より、胴部および底部が一体型からなるときには、胴部および底部との境界における機械的特性の低下が少ないため、長期間にわたる使用が可能となることがわかった。

１：保護管
１ａ：胴部
１ｂ：底部
２：ヒーター
３：熱源供給電源

Claims

一端が開口し、他端が封止されており、筒状の胴部と、該胴部と繋がるＲ部を含む底部とを有する窒化珪素質焼結体からなる加熱体の保護管であって、
前記胴部の厚み方向に沿った断面におけるＣｕのＫα線を用いたＸ線回折装置により測定される２θ＝２３．４°のβ−窒化珪素のピーク強度をＡ、２θ＝６３．９°のβ−窒化珪素のピーク強度をＢとしたとき、Ｂ／Ａの値が２以上であることを特徴とする加熱体の保護管。
前記胴部および前記底部が一体型からなることを特徴とする請求項１に記載の加熱体の保護管。