JP6530662B2 - 構造体の製造方法及び構造体 - Google Patents
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Description
このようなヒケが生じることにより、セラミックコート層で覆われることを予定していた基材の一部にセラミックコート層が形成されず基材の一部が剥き出しになる場合や、セラミックコート層の端部が薄くなり、充分な厚さを確保できない場合がある。このことが原因となり、絶縁性の低下や断熱性の低下が生じるという問題があった。
後述するように、本発明の構造体の製造方法では、凹部を設けることにより、セラミックコート層にヒケが生じることを抑制できる。そのため、セラミックコート層の端部の位置を制御しやすくなる。従って、被覆予定領域の外側に、被覆予定領域の境界と接するように凹部を形成することにより、後の工程において被覆予定領域を、しっかりとセラミックコート層で覆うことができる。
このようなセラミック原料を用いると、軟化点を超える温度で加熱することにより低融点ガラス粉末が軟化溶融するので、容易にセラミックコート層を形成することができる。
セラミック原料は、その後のセラミックコート層形成工程において基材の表面に焼き付けられる。この際、セラミック原料が溶融して焼き締まり、焼成収縮を起こす。この焼成収縮は、セラミックコート層にヒケが生じる原因となる。
しかし、上記のようにセラミック原料を塗布すると、セラミック原料が焼成収縮しようとする際、溶融したセラミック原料が凹部に物理的に引っ掛かり収縮しにくくなる。そのため、セラミックコート層にヒケが生じることを抑制することができる。
さらに、セラミック原料は凹部に充填されるので、凹部に塗布されるセラミック原料の量は、他の部分に塗布されるセラミック原料の量よりも多くなる。そのため、セラミックコート層形成工程においてセラミック原料が焼き付けられる際に、セラミック原料が焼成収縮し、セラミックコート層の端部が薄くなったとしても、凹部に形成されるセラミックコート層の厚さを充分な厚さにすることができる。
このようにセラミック原料を塗布することにより、被覆予定領域を、セラミックコート層で確実に覆うことができる。
セラミック原料が、水及び/又は有機結合材を含むと、セラミック原料は粘性を有することになる。粘性を有するセラミック原料は、被覆予定領域に塗布しやすくなり、また、塗布量も制御しやすくなる。
一方で、セラミックコート層形成工程において水及び/又は有機結合材を含むセラミック原料を基材に焼き付けると、水及び/又は有機結合材は、蒸発や分解され消失する。そのため、セラミック原料が焼成収縮する度合いが大きくなり、セラミックコート層にヒケが生じやすくなる。しかし、本発明の構造体の製造方法では、基材に凹部を形成するので、セラミック原料の焼成収縮度合いが大きくなったとしても、被覆予定領域を、セラミックコート層で確実に覆うことができる。
セラミック原料が、有機溶媒を含むと、表面張力が低下しやすくなる。その結果、セラミック原料を凹部に塗布する際に、セラミック原料は凹部の形状になじみやすくなり、塗布しやすくなる。
一方で、セラミックコート層形成工程において有機溶媒を含むセラミック原料を基材に焼き付けると、有機溶媒は、蒸発や分解され消失する。そのため、セラミック原料が焼成収縮する度合いが大きくなり、セラミックコート層にヒケが生じやすくなる。
しかし、本発明の構造体の製造方法では、基材に凹部を形成するので、セラミック原料の焼成収縮度合いが大きくなったとしても、被覆予定領域を、セラミックコート層で確実に覆うことができる。
つまり、基材の表面には、セラミックコート層が形成されている部分と形成されていない部分とがある。
本発明の構造体を製造する際には、セラミックコート層で覆われるべき範囲である被覆予定領域の外側に、被覆予定領域の境界と接するように凹部を形成する。そして、セラミック原料を被覆予定領域に塗布すると共に、セラミック原料を凹部に充填する。その後、セラミック原料が基材の表面に焼き付けられる。この際、セラミック原料が溶融して焼き締まり、焼成収縮を起こす。この焼成収縮は、セラミックコート層にヒケが生じる原因となる。
しかし、基材の表面には凹部が形成されているので、セラミック原料が焼成収縮しようとする際、溶融したセラミック原料が凹部に物理的に引っ掛かり収縮しにくくなる。そのため、セラミックコート層にヒケが生じることを抑制することができる。
さらに、セラミック原料は凹部を充填することになるので、凹部に塗布されるセラミック原料の量は、他の部分に塗布されるセラミック原料の量よりも多くなる。そのため、セラミック原料が収縮し、セラミックコート層の端部が薄くなったとしても、凹部に形成されるセラミックコート層の厚さを充分な厚さにすることができる。
セラミックコート層が、軟化点が300〜900℃である低融点ガラスからなると、軟化点を超える温度で加熱することにより低融点ガラスが軟化溶融するので、容易にセラミックコート層を形成することができる。
本発明の構造体において凹部の内側端部より内側の基材の表面は、セラミックコート層で覆われるべき範囲である。そのため、上記のように凹部が形成されていると、凹部の内側端部より内側の基材の表面は、セラミックコート層で確実に覆われることになる。そのため、基材の表面がセラミックコート層で覆われることの効果が充分に発揮される。
凹部が粗面化処理されていると、本発明の構造体を製造する場合において、セラミック原料が収縮する際、粗面化処理された部分が抵抗となり収縮しにくくなる。そのため、セラミックコート層にヒケが生じることをより抑制することができる。
凹部の深さが0.1mm未満であると、凹部の表面積が小さくなる。本発明の構造体を製造する場合において、セラミック原料が収縮する際に、セラミック原料が物理的に引っ掛かる凹部の場所は、凹部の表面である。そのため、凹部の表面積が小さくなると、セラミック原料が物理的に引っ掛かる部分が小さくなるので、ヒケの発生を防ぎにくくなる。
凹部の深さが1.5mmを超えると、凹部が形成された部分の基材の厚さが薄くなり基材の強度が低下しやすくなる。また、凹部に形成されるセラミックコート層が厚くなりすぎる。そのため、凹部以外の部分に形成されるセラミックコート層の厚さと凹部に形成されるセラミックコート層の厚さの差が大きくなり、これらのセラミックコート層の熱膨張差が大きくなるのでセラミックコート層の層内において破損が生じやすくなる。
本発明の構造体を製造する場合において、セラミック原料が収縮することは完全に防ぐことはできない。そのため、セラミックコート層の端部が薄くなる場合がある。凹部の幅が1.0mm以上であれば、セラミックコート層の端部が薄くなったとしても、薄くなるセラミックコート層の範囲は、凹部の内側端部を超えにくい。凹部が形成された範囲セラミックコート層が薄くなったとしても、凹部は深さ方向に抉れているので、凹部の底からセラミックコート層の表面までの厚さは充分な厚さとなる。そのため、基材の表面がセラミックコート層で覆われることの効果を充分に得ることができる。
一方、凹部の幅が、1.0mm未満であると、セラミックコート層の端部が薄くなった場合、薄くなるセラミックコート層の範囲が、凹部の内側端部を超える場合がある。この場合、被覆予定領域の境界付近を覆うセラミックコート層が薄くなる。そのため、被覆予定領域付近のセラミックコート層が薄い部分では、セラミックコート層で覆われることの効果が充分に得られにくくなる。
凹部の幅が、5.0mmを超えると、厚さが薄い基材の領域が広くなり基材の強度が低下しやすくなる。
凹部が、基材の表面に連続して形成されていると、本発明の構造体を製造する場合において、セラミック原料が収縮する際に、セラミック原料が凹部に常に引っ掛かることになる。従って、ヒケの発生を防ぎやすくなる。
凹部の一部又は全部が曲面であると、本発明の構造体がセラミックコート層の外側から圧力を受けた場合であっても、凹部の曲面において、その圧力を分散させやすくなる。その結果セラミックコート層が破損することを防ぐことができる。
本発明の構造体がセラミックコート層の外側から圧力を受けた場合、底面及び壁面が平面であると底面と壁面の角部に圧力が集中しやすくなる。その結果、セラミックコート層が破損しやすくなる。
しかし、凹部が、底面と壁面とからなり、底面の一部又は全部は壁面と接続する曲面であると、底面と壁面との間に角部が形成されにくい。そのため、本発明の構造体がセラミックコート層の外側から圧力を受けた場合、その圧力を分散することができ、セラミックコート層が破損することを防ぐことができる。
セラミックコート層の平均厚さが、50μm未満であると、基材がセラミックコート層で覆われることの効果が得られにくくなる。
セラミックコート層の平均厚さが、1500μmを超えると、セラミックコート層と基材との熱膨張差によって発生する熱応力が大きくなるのでセラミックコート層が破損しやすくなる。
凹部に配置されるセラミックコート層の厚さが、セラミックコート層の平均厚さの80%未満であると、セラミックコート層が薄いので、基材の表面がセラミックコート層で覆われることの効果が得られにくくなる。
凹部に配置されるセラミックコート層の厚さが、セラミックコート層の平均厚さの120%を超えると、凹部以外の部分に配置されるセラミックコート層の厚さと凹部に配置されるセラミックコート層の厚さの差が大きくなり、これらのセラミックコート層の熱膨張差が大きくなるのでセラミックコート層の層内において破損が生じやすくなる。
ステンレス、鋼、鉄、銅、アルミニウム、インコネル、ハステロイ、インバーは加工が容易であるので、基材を用途に合わせ加工しやすくなる。
基材が金属からなり、基材にセラミックコート層を形成すると、金属はセラミックと比較して熱膨張係数が大きいので、セラミックコート層が形成された基材の温度が上昇すると、基材とセラミックコート層との間に応力が発生する。また、基材が円錐状の土台を含む場合、円錐状の土台の底面に近づくほど水平断面積が大きくなるので、基材の温度が上昇した場合、円錐状の土台の底面に近づくほど基材の熱膨張率は大きくなる。そのため、セラミックコート層と円錐状の土台部の間に発生する応力は、円錐状の土台の底面に向かうほど大きくなる。その結果、セラミックコート層にヒケが生じやすくなる。しかし、円錐状の土台部に凹部があり、凹部と、円錐状の土台部の頂点との間の円錐状の土台部の側面の少なくとも一部にセラミックコート層を形成すると、セラミックコート層にヒケが生じることを抑制することができる。
以下、詳述する。
この乾燥、加熱の際に、セラミック原料530は溶融することになるが、セラミック原料530が溶融すると、表面張力により端部のセラミック原料530は中心に集まろうと移動する。また、セラミック原料530中の揮発成分も乾燥、加熱の間に揮発することになるのでセラミック原料530が収縮する。
つまり、セラミック原料530が溶融して焼き締まり、焼成収縮を起こすことが、セラミックコート層550にヒケが生じる原因となる。
また、セラミックコート層550にヒケが生じることを予測して、あらかじめ被覆予定領域520の範囲を超えてセラミック原料530を塗布することも考えられるが、ヒケの度合いは、セラミック原料530を調製する際の気温や湿度、セラミック原料530の乾燥条件や加熱条件、また基材表面の状態等により大きく変動するので、無駄なく正確に基材510の表面511をセラミックコート層550で覆うことは難しい。
凹部は、基材の表面を削ることにより形成してもよい。
凹部には、被覆予定領域に対し内側に位置する内側端部と、被覆予定領域に対し外側に位置する外側端部とがあり、被覆予定領域の境界と、凹部の内側端部とは一致することになる。
そして、セラミック原料を被覆予定領域に塗布すると共に、セラミック原料を凹部に充填する。
セラミック原料を焼き付ける際、セラミック原料が溶融して焼き締まり、焼成収縮を起こそうとする。
しかし、セラミック原料は、凹部に充填されているので、セラミック原料が焼成収縮しようとする際、溶融したセラミック原料が凹部に物理的に引っ掛かり収縮しにくくなる。そのため、形成されるセラミックコート層にヒケが生じることを抑制することができる。
本発明の構造体の製造方法における被覆予定領域決定工程では、まず、図2に示すように、金属からなる基材10を準備し、基材10の表面11の一部に、セラミックコート層で覆われることになる被覆予定領域20(図2中、斜線で示す)を決定する。図2中、符号20aは被覆予定領域20の境界を示す。なお、被覆予定領域20の面積は、基材10の表面11の全体の面積よりも小さくなる。
次に、本発明の構造体の製造方法における凹部形成工程では、図3に示すように、被覆予定領域20の外側に、被覆予定領域20の境界20aと接するように凹部40を形成する。
凹部40は、基材10の表面11を削ることにより形成してもよい。
凹部40には、被覆予定領域20に対し内側に位置する内側端部41と、被覆予定領域20に対し外側に位置する外側端部42とがあり、被覆予定領域20の境界20aと、凹部40の内側端部41とは一致することになる。
次に、本発明の構造体の製造方法におけるセラミック原料塗布工程では、まず、軟化点が300〜900℃である低融点ガラス粉末を含むセラミック原料30を準備する。
そして、セラミック原料30を被覆予定領域20に塗布すると共に、セラミック原料を凹部40に充填する。
次に、本発明の構造体の製造方法におけるセラミックコート層形成工程では、図5に示すように、セラミック原料30を基材10の表面11に低融点ガラス粉末の軟化点よりも高い温度で焼き付けセラミックコート層50を形成する。
セラミック原料30を焼き付ける際、セラミック原料30が溶融して焼き締まり、焼成収縮を起こそうとする。
しかし、セラミック原料30は凹部40に充填されているので、図5に示すように、セラミック原料30が焼成収縮しようとする際、溶融したセラミック原料30が凹部40に物理的に引っ掛かり収縮しにくくなる。そのため、形成されるセラミックコート層50にヒケが生じることを抑制することができる。
被覆予定領域決定工程では、まず、金属からなる基材を準備する。
基材としては、特に限定されないが、ステンレス、鋼、鉄、銅、アルミニウム、インコネル、ハステロイ、インバーから選択される少なくとも一種からなることが望ましい。
ステンレス、鋼、鉄、銅、アルミニウム、インコネル、ハステロイ、インバーは加工が容易であるので、基材を用途に合わせ加工しやすくなる。
また、三角柱、四角柱、六角柱、八角柱等の角柱状や、円柱状や、球状等の立体的な形状の基材であってもよい。
さらに、円錐状の土台部と、上記円錐状の土台部の頂点側に接続された円柱状の棒部とからなる形状であってもよい。
被覆予定領域の境界は、直線状であっても、曲線状であってもよい。
凹部形成工程では、基材の表面に凹部を形成する。
この際、凹部を以下の工程(a)〜(g)により形成してもよい。
凹部の一部又は全部が曲面であると、本発明の構造体の製造方法により製造された構造体がセラミックコート層の外側から圧力を受けた場合であっても、凹部の曲面において、その圧力を分散させやすくなる。その結果セラミックコート層が破損することを防ぐことができる。
本発明の構造体の製造方法により製造された構造体がセラミックコート層の外側から圧力を受けた場合、底面、壁面が平面であると底面と壁面とが形成する角部に圧力が集中しやすくなる。その結果、セラミックコート層が破損しやすくなる。しかし、上記形状であると、底面と壁面との間に角部が形成されにくい。そのため、得られた構造体がセラミックコート層の外側から圧力を受けた場合、その圧力を分散することができ、セラミックコート層が破損することを防ぐことができる。
図6に示すように、本発明の構造体の製造方法では、凹部40は、底面45と、被覆予定領域20側の壁面46と、被覆予定領域20の反対側の壁面47とからなるように形成してもよい。
また、底面45、壁面46及び壁面47は、平面状である。そして、底面45は、基材10の表面11に対し平行であり、壁面46及び壁面47は、基材10の表面11に対し垂直である。
なお、凹部40の内側端部41は、壁面46と被覆予定領域20とが接する部分であり、凹部40の外側端部42は、壁面47と被覆予定領域20の反対側の領域とが接する部分である。
図7(a)〜(g)は、本発明の構造体の製造方法における凹部形成工程において形成する凹部の形状の一例を模式的に示す断面図である。
図7(a)〜(g)に示す凹部は、それぞれ、凹部形成工程(a)〜凹部形成工程(g)により形成された凹部である。
凹部が粗面化処理されていると、セラミックコート層形成工程において、セラミック原料が収縮する際、粗面化処理された部分が抵抗となり移動しにくくなる。そのため、セラミックコート層にヒケが生じることをより抑制することができる。
粗面化処理された凹部の表面粗さは、特に限定されないが、Ra=0.5〜4.0μm、RzJIS=1.5〜20μmであることが望ましい。
なお、本明細書で「Ra」とはJIS B 0601(2001)に準拠して決定される算術平均粗さのことを意味する。
また、本明細書で「RzJIS」とは、JIS B 0601(2001)に準拠して決定される十点平均粗さのことを意味する。
これらは、株式会社東京精密製ハンディサーフE−35Bを用い、測長距離を10mmとして測定することができる。
凹部の深さが0.1mm未満であると、壁面の高さは小さくなるので、凹部の表面積が小さくなる。本発明の構造体を製造する方法において、セラミック原料が収縮する際に、セラミック原料が物理的に引っ掛かる凹部の場所は、凹部の表面である。そのため、凹部の表面積が小さくなると、セラミック原料が物理的に引っ掛かる部分が小さくなるので、ヒケの発生を防ぎにくくなる。
凹部の深さが1.5mmを超えると、凹部が形成された部分の基材の厚さが薄くなり基材の強度が低下しやすくなる。また、製造された構造体において、凹部に形成されるセラミックコート層が厚くなりすぎる。そのため、凹部以外の部分に形成されるセラミックコート層の厚さと凹部に形成されるセラミックコート層の厚さの差が大きくなり、これらのセラミックコート層の熱膨張差が大きくなるのでセラミックコート層の層内において破損が生じやすくなる。
なお、本明細書において「凹部の深さ」とは、基材の表面を基準面として、その基準面から凹部の底まで基準面に対する垂線を引き、その垂線の基準面から凹部の底までの距離のことを意味する。
図8は、本発明の構造体の製造方法により製造された構造体において、セラミックコート層の端部が薄くなっている状態の一例を模式的に示す断面図である。
本発明の構造体の製造方法において、セラミック原料が収縮することは完全に防ぐことはできない。そのため、図8に示すように、セラミックコート層50の端部51が薄くなる場合がある。
本発明の構造体の製造方法において、凹部の幅が1.0mm以上であれば、セラミックコート層の端部が薄くなったとしても、薄くなるセラミックコート層の範囲は、凹部の内側端部を超えにくい。つまり、凹部が形成された範囲を覆うセラミックコート層が薄くなったとしても、凹部は深さ方向に抉れているので、凹部の底面からセラミックコート層の表面までの厚さは充分な厚さとなる。そのため、基材の表面がセラミックコート層で覆われることの効果を充分に得ることができる。
一方、凹部の幅が、1.0mm未満であると、セラミックコート層の端部が薄くなった場合、薄くなるセラミックコート層の範囲が、凹部の内側端部を超える場合がある。この場合、被覆予定領域の境界付近を覆うセラミックコート層が薄くなる。そのため、被覆予定領域付近のセラミックコート層が薄い部分では、セラミックコート層で覆われることの効果が充分に得られにくくなる。
凹部の幅が、5.0mmを超えると、削られる基材の体積が多くなるので、厚さが薄い基材の領域が広くなり基材の強度が低下しやすくなる。
なお、本明細書において「凹部の幅」とは、凹部の内側端部のある一点から、凹部の外側端部までの最短距離のことを意味する。
なお、凹部を基材の表面に連続的に形成するとは、図6に示すように凹部を形成することであり、凹部を基材の表面に断続的に形成するとは、以下の図9に示すように凹部を形成することである。
図9は、本発明の構造体の製造方法における凹部形成工程において形成する凹部の別の一例を模式的に示す平面図である。
図9では、凹部40が基材10の表面11に断続的に形成されている。
凹部が、基材の表面に連続して形成されていると、本発明の構造体の製造方法において、セラミック原料が収縮する際に、セラミック原料が凹部に常に引っ掛かることになる。従って、ヒケの発生を防ぎやすくなる。
本発明の構造体の製造方法におけるセラミック原料塗布工程では、セラミック原料を被覆予定領域に塗布すると共に、セラミック原料を凹部に充填する。
このようなセラミック原料を用いると、軟化点を超える温度で加熱することにより低融点ガラス粉末が軟化溶融するので、容易にセラミックコート層を形成することができる。
また、低融点ガラスの軟化点は、400〜900℃であることがより望ましい。
まず、低融点ガラス粉末を適量となるように示差熱天秤(Rigaku製、「TG−DTA」型番TG8120)に入れ、大気雰囲気において10℃/分の設定で950℃まで昇温し、サンプリング周期1秒でDTA曲線を得る。得られたDTA曲線の第4変曲点を、軟化点とする。
これらガラスを用いると、熱伝導率が低く、かつ、耐熱性、耐久性を有するセラミックコート層を形成することができる。
これら材料を用いると、絶縁性が高く、かつ、耐熱性、耐久性を有するセラミックコート層を形成することができる。
一方で、セラミックコート層形成工程においてこれら物質を含むセラミック原料を基材に焼き付けると、これら物質は、蒸発や分解され消失する。そのため、セラミック原料が焼成収縮する度合いが大きくなり、セラミックコート層にヒケが生じやすくなる。しかし、本発明の構造体の製造方法では、上記の通り、基材に凹部を形成するので、セラミック原料の焼成収縮度合いが大きくなったとしても、被覆予定領域を、セラミックコート層で確実に覆うことができる。
これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
有機溶媒としては、特に限定されないが、メタノール、エタノール等が挙げられる。
これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
また、セラミック原料に水、有機結合材及び有機溶媒を併用してもよい。
セラミック原料に水、有機結合材及び有機溶媒を加える場合には、セラミック原料の重量に対する水、有機結合材及び有機溶媒の合計重量は、5〜80%であることが望ましい。
セラミック原料が造孔材を含むと、造孔材は、セラミックコート層形成工程において、分解し、セラミックコート層に気孔を形成する。
セラミックコート層に気孔が存在していると、気孔部分では熱が伝わりにくくなるので、セラミックコート層の断熱性が向上する。
このような観点から、造孔材は、カーボン、炭酸塩、又は、発泡剤が望ましい。炭酸塩、発泡剤としては、CaCO3、BaCO3、NaHCO3、Na2CO3、(NH4)2CO3等が挙げられる。
さらに、これらの中では、グラファイト等のカーボンが好ましい。
第1の塗布方法としては、塗布されるセラミック原料の端部が、凹部の外側端部と一致するようにセラミック原料を塗布する方法である。第2の塗布方法としては、塗布されるセラミック原料の端部が、凹部の外側端部のさらに外側に位置するようにセラミック原料を塗布する方法である。
図10(a)及び(b)は、本発明の構造体の製造方法におけるセラミック原料塗布工程において、セラミック原料を塗布する端部の一例を模式的に示す断面図である。
本発明の構造体の製造方法におけるセラミック原料塗布工程では、凹部40にセラミック原料30を充填する。このようにする方法としては、図10(a)及び(b)に示すように2通りの塗布方法がある。
すなわち、図10(a)に示すように、塗布されるセラミック原料30の端部31が、凹部40の外側端部42と一致するようにセラミック原料30を塗布する方法と、図10(b)に示すように、塗布されるセラミック原料30の端部31が、凹部40の外側端部42のさらに外側に位置するようにセラミック原料30を塗布する方法とがある。
すなわち、第1の端部の状態としては、セラミックコート層の端部は、凹部の領域内に位置している状態である。
第2の端部の状態としては、セラミックコート層の端部は、凹部の外側端部と一致している状態である。
第3の端部の状態としては、セラミックコート層の端部は、凹部の外側端部の外側に位置している状態である。
セラミックコート層と、凹部との関係がこのような状態になるように、セラミック原料を塗布することにより、被覆予定領域を、セラミックコート層で確実に覆うことができる。
また、セラミックコート層と凹部との関係を第1〜第3の端部の状態にするには、セラミック原料の焼成収縮率や、凹部の形状等に応じてセラミック原料の塗布量や塗布位置等を調整することにより行うことができる。
図11(a)〜(c)は、本発明の構造体の製造方法において、製造された構造体のセラミックコート層の端部と、凹部との関係を模式的に示す断面図である。
図11(a)〜(c)は、それぞれ第1〜第3の端部の状態の一例を示している。
図11(a)では、セラミックコート層50の端部51は、凹部40の領域43内に位置している。
図11(b)では、セラミックコート層50の端部51は、凹部40の外側端部42と一致している。
図11(c)では、セラミックコート層50の端部51は、凹部40の外側端部42の外側に位置している。
本発明の構造体の製造方法におけるセラミックコート層形成工程では、セラミック原料を基材の表面に焼き付けることになるが、この前に、セラミック原料を乾燥させてもよい。
例えば、セラミック原料の重量に対する水、有機結合材及び有機溶媒の合計重量が、5〜80%である場合の乾燥条件としては、乾燥温度が70〜120℃、乾燥時間が20〜60分間であることが望ましい。
セラミック原料を焼き付ける条件としては、低融点ガラス粉末の軟化点よりも高い温度であれば特に限定されないが、焼き付け温度が310〜1100℃、焼き付け時間が10〜60分間であることが望ましい。
本発明の構造体は、金属からなる基材と、基材の表面に形成されたセラミック原料からなるセラミックコート層とからなる構造体である。
つまり、基材の表面には、セラミックコート層が形成されている部分と形成されていない部分がある。
上記の本発明の構造体の製造方法で説明したように、基材の表面に凹部を設けることで、セラミックコート層にヒケが生じることを抑制することができる。
なお、本発明の構造体における、凹部の形状は上記本発明の構造体の製造方法において既に説明しているので、ここでの説明は省略する。
また、セラミックコート層の周縁部は、例えば、セラミックコート層の端部からセラミックコート層の平均厚さの40倍の距離だけ内側に向かう範囲である。
なお、セラミックコート層の周縁部に凹部が位置するとは、周縁部に凹部の少なくとも一部が位置していることを意味する。
セラミックコート層が、軟化点が300〜900℃である低融点ガラスからなると、軟化点を超える温度で加熱することにより低融点ガラスが軟化溶融するので、容易にセラミックコート層を形成することができる。
なお、セラミックコート層の望ましい組成等は、上記本発明の構造体の製造方法において既に説明しているので、ここでの説明は省略する。
まず、セラミックコート層を粉末状に掻き出し、掻き出した粉末状のセラミックコート層を適量となるように示差熱天秤(Rigaku製、「TG−DTA」型番TG8120)に入れ、大気雰囲気において10℃/分の設定で950℃まで昇温し、サンプリング周期1秒でDTA曲線を得る。
得られたDTA曲線の第4変曲点を、軟化点とする。
図12は、本発明の構造体の一例を模式的に示す斜視図である。
図12に示すように、本発明の構造体の一例である構造体100は、金属からなる基材10と、基材10の表面11に形成されたセラミック原料からなるセラミックコート層50とからなる構造体である。
つまり、基材10の表面11には、セラミックコート層50が形成されている部分と形成されていない部分がある。
上記の本発明の構造体の製造方法で説明したように、基材10の表面11に凹部40を設けることで、セラミックコート層50にヒケが生じることを抑制することができる。
また、セラミックコート層50の周縁部55は、セラミックコート層50の端部51からセラミックコート層50の平均厚さの40倍の距離だけ内側に向かう範囲Aである。
さらに、セラミックコート層50は、軟化点が300〜900℃である低融点ガラスからなる。
セラミックコート層の平均厚さが、50μm未満であると、基材がセラミックコート層で覆われることの効果が得られにくくなる。
セラミックコート層の平均厚さが、1500μmを超えると、セラミックコート層と基材との熱膨張差によって発生する熱応力が大きくなるのでセラミックコート層が破損しやすくなる。
なお、「セラミックコート層の平均厚さ」とは、凹部の内側端部より内側に形成されたセラミックコート層の平均厚さのことを意味する。
セラミックコート層の厚さの測定には、株式会社フィッシャーインストルメンツ社製、デュアルスコープMP40を用いることができる。セラミックコート層の任意の30点において、デュアルスコープMP40の膜厚測定における膜厚補正を実施したのち、膜厚測定をセラミックコート層の任意の10点に対して行い、その測定値の平均をとることによりセラミックコート層の厚さを測定することができる。膜厚測定を10点に対して行う場合、測定領域内で測定部位の偏りがないようにすることが望ましく、例えば、測定を1mmの等間隔おきに行う等の方法が挙げられる。
凹部に配置されるセラミックコート層の厚さが、セラミックコート層の平均厚さの80%未満であると、セラミックコート層が薄いので、断熱効果が低くなる。
凹部に配置されるセラミックコート層の厚さが、セラミックコート層の平均厚さの120%を超えると、凹部以外の部分に形成されるセラミックコート層の厚さと凹部に形成されるセラミックコート層の厚さの差が大きくなり、これらのセラミックコート層の熱膨張差が大きくなるのでセラミックコート層の層内において破損が生じやすくなる。なお、本明細書において、凹部に配置されるセラミックコート層の厚さとは、凹部に配置されているセラミックコート層の平均厚さを意味する。凹部に配置されたセラミックコート層の厚さは、凹部に配置されたセラミックコート層の体積を算出し、凹部の幅で除することにより算出することができる。なお、例えば、凹部の一部にセラミックコート層が配置されていない部分がある場合には、配置されているセラミックコート層の範囲のみで平均厚さを計算し、セラミックコート層が配置されていない凹部の一部は、セラミックコート層の平均厚さを求める計算に考慮しない。
ステンレス、鋼、鉄、銅、アルミニウム、インコネル、ハステロイ、インバーは加工が容易であるので、基材を用途に合わせ加工しやすくなる。
本発明の構造体は、例えば、排気管、排ガス浄化装置における排ガス処理体を収容するケーシング、エンジンバルブ、吸気ポート、エンジンヘッド(吸気ポートと排気ポートを含む)、シリンダ、ピストン、ターボハウジング、熱交換器、EGRパイプの用途に用いることができる。
本発明の構造体を排気管として用いた場合、排気管は、排ガスの流入口と、排ガスの流出口とを有する基材と、基材の表面に形成されたセラミックコート層からなっていてもよい。
セラミックコート層は、流出口から流入口に向かって基材の表面の所定の範囲に形成されており、流入口側のセラミックコート層の周縁部には、凹部が形成されていてもよい。
基材の内側表面とは、排ガスが通過する流路側の基材の表面のことを意味する。
基材の外側表面とは、排ガスが通過する流路側とは反対側の基材の表面のことを意味する。
排ガスは、排気管の流入口から流れ込み、排気管の流出口から排気される。
排ガスが排気管の流入口に到達した時点では、排ガスが充分に高い温度を有する。また、排気管を通過する際に、排ガスから熱が放出され、排ガスの温度が低下しやすくなる。しかし、排気管に上記のようにセラミックコート層が形成されていると、排気管の断熱性が高くなり、排ガスの温度が低下することを防ぐことができる。排ガスは、下流に設置された排ガス浄化装置に設置された排ガス処理体により浄化されることになるが、排ガスの温度が低下せず、充分に高い場合、排ガスは速やかに排ガス処理体の温度を上昇させ、排ガス処理体の排ガス浄化機能を好適に発揮させることができる。つまり、排ガス浄化効率が向上する。
従って、セラミックコート層で覆うべき基材の部分を確実に覆うことができる。
また、セラミックコート層が形成されていることにより、所望の断熱性能や絶縁性能を確保することができる。
図13〜図15は、本発明の構造体を排気管として用いた場合の一例を模式的に示す斜視図である。
そして、セラミックコート層2501は、流出口202から流入口201に向かって、内側表面2111の所定の範囲に形成されている。
また、流入口202側のセラミックコート層2501の周縁部2551には、凹部2401が形成されている。
セラミックコート層2502は、流出口202から流入口201に向かって、外側表面2112の所定の範囲に形成されている。
また、流入口202側のセラミックコート層2502の周縁部2552には、凹部2402が形成されている。
セラミックコート層2501及びセラミックコート層2502は、流出口202から流入口201に向かって、内側表面2111及び外側表面2112の所定の範囲に形成されている。
また、流入口202側のセラミックコート層2501の周縁部2551及びセラミックコート層2502の周縁部2552には、凹部2401及び凹部2402が形成されている。
本発明の構造体を用いた排ガス浄化装置では、ケーシングは基材を含んでおり、基材は、排ガスの流入口、流入口側の流入口コーン部、排ガスの流出口、及び、流出口コーン部を有している。さらに、流入口コーン部の流入口側には、凹部が形成されており、流出口コーン部の流入口側には、凹部が形成されている。
さらに、流入口コーン部には、セラミックコート層が形成されており、セラミックコート層の流入口側の端部の周縁部に、凹部が位置していてもよい。また、流出口コーン部には、セラミックコート層が形成されており、セラミックコート層の流入口側の端部の周縁部に、凹部が位置していてもよい。
基材の内側表面とは、排ガスが通過する流路側の基材の表面のことを意味する。
基材の外側表面とは、排ガスが通過する流路側とは反対側の基材の表面のことを意味する。
ケーシングには、保持シール材が周囲に巻き付けられた排ガス処理体が収容されている。
排ガス処理体は、ハニカム形状であることが望ましく、排ガスを浄化するための触媒が担持されていることが望ましい。
排ガスは、流入口から流入し、排ガス処理体の中を通過することになるが、排ガス処理体には、触媒が担持されているので、排ガスは触媒作用により浄化される。
排ガスがケーシングの流入口に到達した時点では、排ガスが充分に高い温度を有する。また、ケーシングを通過する際に、排ガスから熱が放出され、排ガスの温度が低下しやすくなる。しかし、排ガスがケーシングを通過する際、コーン部の内側表面及び/又は外側表面にセラミックコート層が形成されている場合、これらは断熱性が高いので、排ガスが排ガス処理体を通過するまで、排ガスの温度が低下することを防ぐことができる。排ガスは、排ガス浄化体により浄化されることになるが、排ガスの温度が低下せず、充分に高い場合、排ガスは速やかに排ガス処理体の温度を上昇させ、排ガス処理体の排ガス浄化機能を好適に発揮させることができる。つまり、排ガス浄化効率が向上する。
また、このようなケーシングでは、流出口コーン部にもセラミックコート層が形成されているので、排ガスが排ガス処理体を通過した後も、排ガスの温度が保たれることになる。
排ガスが、排ガス浄化装置を通過する際に、排ガスの温度が低下すると、排ガスの凝集水が生じやすくなり、排ガスの流路が、腐食しやすくなる。しかし、このようなケーシングを用いると、排ガスの温度が低下しにくくなるので、排ガス凝集水が生じるのを防ぐことができ、流路の腐食を防ぐことができる。
また、セラミックコート層が形成されていることにより、所望の断熱性能や絶縁性能を確保することができる。
図16(a)及び(b)に示すように、ケーシング300は基材310を含んでいる。ケーシング300には、保持シール材370が巻き付けられた排ガス処理体360が収容されている。
そして、基材310は、排ガスの流入口301、流入口301側の流入口コーン部303、排ガスの流出口302、及び、流出口コーン部304を有している。さらに、流入口コーン部303の基材の内側表面311a1の流入口301側には、凹部340a1が形成されており、流出口コーン部303の基材の内側表面311a1の流入口301側には、凹部340b1が形成されている。
さらに、流入口コーン部303の基材の内側表面311b1には、セラミックコート層350a1が形成されており、セラミックコート層350a1の流入口301側の端部351a1の周縁部355a1に、凹部340a1が位置している。
また、流出口コーン部304の基材の内側表面311b1には、セラミックコート層350b1が形成されており、セラミックコート層350b1の流入口301側の端部351b1の周縁部355b1に、凹部340b1が位置している。
図17(a)及び(b)に示すように、ケーシング300は基材310を含んでいる。ケーシング300には、保持シール材370が巻き付けられた排ガス処理体360が収容されている。
そして、基材310は、排ガスの流入口301、流入口301側の流入口コーン部303、排ガスの流出口302、及び、流出口コーン部304を有している。さらに、流入口コーン部303の基材の外側表面311a2の流入口301側には、凹部340a2が形成されており、流出口コーン部303の基材の外側表面311a2の流入口301側には、凹部340b2が形成されている。
さらに、流入口コーン部303の基材の外側表面311a2には、セラミックコート層350a2が形成されており、セラミックコート層350a2の流入口301側の端部351a2の周縁部355a2に、凹部340a2が位置している。
また、流出口コーン部304の基材の外側表面311b2には、セラミックコート層350b2が形成されており、セラミックコート層350b2の流入口301側の端部351b2の周縁部355b2に、凹部340b2が位置している。
図18(a)及び(b)に示すように、ケーシング300は基材310を含んでいる。ケーシング300には、保持シール材370が巻き付けられた排ガス処理体360が収容されている。
そして、基材310は、排ガスの流入口301、流入口301側の流入口コーン部303、排ガスの流出口302、及び、流出口コーン部304を有している。さらに、流入口コーン部303の基材の内側表面311a1及び基材の外側表面311a2の流入口301側には、凹部340a1及び凹部340a2が形成されており、流出口コーン部303の基材の内側表面311a1及び基材の外側表面311a2の流入口301側には、凹部340b1及び凹部340b2が形成されている。
さらに、流入口コーン部304の基材の内側表面311a1及び基材の外側表面311a2には、セラミックコート層350a1及びセラミックコート層350a2が形成されており、セラミックコート層350a1及びセラミックコート層350a2の流入口301側の端部351a1及び端部351a2の周縁部355a1及び周縁部355a2に、凹部340a1及び凹部340a2が位置している。
また、流出口コーン部304の基材の内側表面311b1及び基材の外側表面311b2には、セラミックコート層350b1及びセラミックコート層350b2が形成されており、セラミックコート層350b1及びセラミックコート層350b2の流入口301側の端部351b1及び端部351b2の周縁部355b1及び周縁部355b2に、凹部340b1及び凹部340b2が位置している。
(1)本発明の構造体の製造方法では、被覆予定領域決定工程では、基材の表面の一部に、セラミックコート層で覆われることになる被覆予定領域を決定する。また、凹部形成工程において被覆予定領域の外側に、被覆予定領域の境界と接するように凹部を形成する。また、セラミック原料塗布工程においてセラミック原料を被覆予定領域に塗布すると共に、セラミック原料を凹部に充填する。
このような工程を経てからセラミックコート層形成工程を行うので、セラミックコート層形成工程において、セラミック原料を基材の表面に焼き付ける場合に、セラミック原料は溶融して焼き締まりが焼成収縮しようとするが、溶融したセラミック原料が凹部に物理的に引っ掛かり収縮しにくくなる。そのため、セラミックコート層にヒケが生じることを抑制することができる。
その結果、セラミックコート層の端部の位置を制御しやすくなる。従って、被覆予定領域を、しっかりとセラミックコート層で覆うことができる。
以下に実施例を掲げ、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
(1)被覆予定領域決定工程
(1−1)基材の準備
まず、ステンレス鋼材(SUS430)からなる平板状の基材(縦×横×高さ=40mm×40mm×1.5mm)を準備した。
次に、平板の横方向において、平板の右端から19.5mmまでの領域を、被覆予定領域とした。
次に、平板の右端から19.5mmの部分(被覆予定領域の端部)が凹部の内側端部と連続的に一致するように、被覆予定領域の外縁に凹部を形成した。なお、凹部の形成にはエンドミルを用いた。
凹部の形状は、図6に示す形状であり、幅1mm、深さ500μmであった。
(3−1)セラミック原料の準備
低融点ガラス粉末として、バリウムシリケートガラス(軟化点770℃)100重量部を準備した。さらに、有機結合材として、メチルセルロース1重量部を準備した。
これら、低融点ガラス粉末100重量部、有機結合材1重量部にさらに水を100重量部加えて、ボールミルで湿式混合することによりセラミック原料を調製した。
次に、被覆予定領域を覆い、かつ、凹部を充填するようにセラミック原料を塗布した。
この際、塗布されるセラミック原料の端部が、凹部の外側端部と一致するようにセラミック原料を塗布した。
(4−1)セラミック原料の乾燥
次に、セラミック原料が塗布された基材を、70℃、20分間の条件で乾燥させた。
次に、セラミック原料が塗布された基材を、900℃、60分間の条件で焼成し、セラミックコート層を形成した。
また、製造された構造体を図19(a)及び(b)に示す。図19(a)は、実施例1に係る構造体の上面写真である。図19(b)は、実施例1に係る構造体の斜め上から写した写真である。
図19(a)及び(b)に示すように、実施例1に係る構造体では、被覆予定領域の全てがセラミックコート層に覆われていた。
実施例1の「(2)凹部の形成」において、凹部の形状を、幅1mm、深さ1000μmとした以外は、実施例1と同様に、実施例2に係る構造体を製造した。
製造された構造体を図20(a)及び(b)に示す。図20(a)は、実施例2に係る構造体の上面写真である。図20(b)は、実施例2に係る構造体の斜め上から写した写真である。
図20(a)及び(b)に示すように、実施例2に係る構造体では、被覆予定領域の全てがセラミックコート層に覆われていた。
実施例1の「(2)凹部の形成」において、凹部の形状を、幅4mm、深さ500μmとした以外は、実施例1と同様に、実施例3に係る構造体を製造した。
製造された構造体を図21(a)及び(b)に示す。図21(a)は、実施例3に係る構造体の上面写真である。図21(b)は、実施例3に係る構造体の斜め上から写した写真である。
図21(a)及び(b)に示すように、実施例3に係る構造体では、被覆予定領域の全てがセラミックコート層に覆われていた。
実施例1の「(2)凹部の形成」において、凹部の形状を、幅4mm、深さ1000μmとした以外は、実施例1と同様に、実施例4に係る構造体を製造した。
製造された構造体を図22(a)及び(b)に示す。図22(a)は、実施例4に係る構造体の上面写真である。図22(b)は、実施例4に係る構造体の斜め上から写した写真である。
図22(a)及び(b)に示すように、実施例4に係る構造体では、被覆予定領域の全てがセラミックコート層に覆われていた。
実施例1の「(2)凹部の形成」を行わず凹部を形成しない以外は、実施例1と同様に、比較例1に係る構造体を製造した。
製造された構造体を図23(a)及び(b)に示す。図23(a)は、比較例1に係る構造体の上面写真である。図23(b)は、比較例1に係る構造体の斜め上から写した写真である。
図23(a)及び(b)に示すように、比較例1に係る構造体では、セラミックコート層にヒケが生じ、被覆予定領域にセラミックコート層が形成されていない部分があった。
11、2111、2112、311a1、311a2、311b1、311b2 基材の表面
20 被覆予定領域
20a 被覆予定領域の境界
30 セラミック原料
31 塗布されるセラミック原料の端部
40、2401、2402、340a1、340a2、340b1、340b2 凹部
41 凹部の内側端部
42 凹部の外側端部
43 凹部の領域
45 底面
46、47 壁面
48 スリット部
50、2501、2502、350a1、350a2、350b1、350b2 セラミックコート層
51、2511、2512、351a1、351a2、351b1、351b2 セラミックコート層の端部
55、2551、2552、355a1、355a2、355b1、355b2 セラミックコート層の周縁部
100 構造体
200 排気管
201、301 流入口
202、302 流出口
300 ケーシング
303 流入口コーン部
304 流出口コーン部
360 排ガス処理体
370 保持シール材
Claims (23)
- 金属からなる基材の表面の一部に被覆予定領域を決定する被覆予定領域決定工程と、
前記被覆予定領域の外側に、前記被覆予定領域の境界と接するように凹部を形成する凹部形成工程と、
軟化点が300〜900℃である低融点ガラス粉末を含むセラミック原料を前記被覆予定領域に塗布すると共に、前記セラミック原料を前記凹部に充填するセラミック原料塗布工程と、
前記セラミック原料を前記基材の表面に前記軟化点よりも高い温度で焼き付けセラミックコート層を形成するセラミックコート層形成工程とを含むことを特徴とする構造体の製造方法。 - 前記セラミック原料塗布工程では、前記セラミックコート層形成工程により形成される前記セラミックコート層の端部が、前記凹部の領域内に位置するように前記セラミック原料を塗布する請求項1に記載の構造体の製造方法。
- 前記セラミック原料塗布工程では、前記セラミックコート層形成工程により形成される前記セラミックコート層の端部が、前記凹部の外側端部と一致するように、前記セラミック原料を塗布する請求項1に記載の構造体の製造方法。
- 前記セラミック原料塗布工程では、前記セラミックコート層形成工程により形成される前記セラミックコート層の端部が、前記凹部の外側端部よりも外側に位置するように、前記セラミック原料を塗布する請求項1に記載の構造体の製造方法。
- 前記セラミック原料は、水及び/又は有機結合材を含む請求項1〜4のいずれかに記載の構造体の製造方法。
- 前記セラミック原料は、有機溶媒を含む請求項1〜5のいずれかに記載の構造体の製造方法。
- 金属からなる基材と、前記基材の表面に形成されたセラミック原料からなるセラミックコート層とからなる構造体であって、
前記基材の表面のうち前記セラミックコート層が形成されている部分の面積が、前記基材の表面の全体の面積よりも小さく、
前記基材の表面には凹部が形成されており、
前記セラミックコート層の周縁部に前記凹部が位置し、
前記凹部の少なくとも一部は前記セラミックコート層で覆われており、
前記セラミックコート層は軟化点が300〜900℃の低融点ガラスからなることを特徴とする構造体。 - 前記セラミックコート層の端部は、前記凹部の領域内に位置している請求項7に記載の構造体。
- 前記セラミックコート層の端部は、前記凹部の外側端部と一致している請求項7に記載の構造体。
- 前記セラミックコート層の端部は、前記凹部の外側端部の外側に位置している請求項7に記載の構造体。
- 前記セラミックコート層の周縁部は、前記セラミックコート層の端部から前記セラミックコート層の平均厚さの40倍の距離だけ内側に向かう範囲である請求項7〜10のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部は、粗面化処理されている請求項7〜11のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部の深さは、0.1〜1.5mmである請求項7〜12のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部の幅は、1.0〜5.0mmである請求項7〜13のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部は、前記基材の表面に連続して形成されている請求項7〜14のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部は、前記基材の表面に断続して形成されている請求項7〜15のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部の一部又は全部は曲面である請求項7〜16のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部は、底面と壁面とからなり、前記底面の一部又は全部は前記壁面と接続する曲面である請求項7〜17のいずれかに記載の構造体。
- 前記セラミックコート層の平均厚さは、50〜1500μmである請求項7〜18のいずれかに記載の構造体。
- 前記凹部に配置される前記セラミックコート層の厚さは、前記セラミックコート層の平均厚さの80〜120%である請求項7〜19のいずれかに記載の構造体。
- 前記基材は、ステンレス、鋼、鉄、銅、アルミニウム、インコネル、ハステロイ、インバーから選択される少なくとも一種からなる請求項7〜20のいずれかに記載の構造体。
- 前記基材の形状は、円錐状の土台部と、前記円錐状の土台部の頂点側に接続された円柱状の棒部とからなる形状であり、
前記円錐状の土台部の側面は、前記基材の表面であり、
前記セラミックコート層は、前記円錐状の土台部の側面に形成されており、
前記凹部は、前記円錐状の土台部の側面に形成されており、
前記円錐状の土台部の底面側の前記セラミックコート層の周縁部に、前記凹部が位置している請求項7〜21のいずれかに記載の構造体。 - 排気管として用いられる請求項7〜21のいずれかに記載の構造体。
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