JP7156987B2

JP7156987B2 - 耐熱部材

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Publication number: JP7156987B2
Application number: JP2019056839A
Authority: JP
Inventors: 健太郎菊地; 諭史豊田; 隆寛上野; 英博竹之下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: JP2020158320A; CN111732420A

Description

本開示は、耐熱部材に関する。

高温での使用が前提となる製品、例えば、自動車の車内暖房に使われるヒータ等には、６００℃程度の温度で使用しても破損するおそれが少ない耐熱部材が使用されている。

ここで、耐熱部材の材料には、アルミナ質セラミックスが広く採用されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００１－２４６４号公報

近年では、使用温度が１０００℃程度となる製品が想定されているため、このような製品に使用される耐熱部材には、優れた耐熱衝撃性を備えていることが求められている。

本開示は、このような事情を鑑みて案出されたものであり、優れた耐熱衝撃性を有する耐熱部材を提供することを目的とする。

本開示の耐熱部材は、複数のアルミナ結晶および複数のジルコニア結晶と、ガラスとを含有する。また、構成される全成分１００質量％のうちの含有量が、ＡｌがＡｌ_２Ｏ_３換算で５０質量％以上８４質量％以下であり、ＺｒがＺｒＯ_２換算で５質量％以上２０質量％以下であり、ＳｉをＳｉＯ _２、ＣａをＣａＯ、ＭｇをＭｇＯに換算した値の合計が１１質量％以上４５質量％以下である。そして、複数の前記ジルコニア結晶の少なくとも１つが、異なる傾きのラメラ構造の異傾ラメラ結晶である。

本開示の耐熱部材は、優れた耐熱衝撃性を有する。

本開示の耐熱部材の拡大断面図の一例である。

本開示の耐熱部材について、図１を用いて、以下詳細に説明する。

本開示の耐熱部材は、図１に示すように、アルミナ結晶１およびジルコニア結晶２をそれぞれ複数含有する。そして、構成される全成分１００質量％のうちの含有量が、ＡｌがＡｌ_２Ｏ_３換算で５０質量％以上８４質量％以下であり、ＺｒがＺｒＯ_２換算で５質量％以上２０質量％以下である。

このような組成比であることで、本開示の耐熱部材は、比較的安価であるとともに、大気環境下で加熱されても劣化しにくく、優れた機械的強度を有する。ここで、優れた機械的強度とは、ＪＩＳＲ１６０１－２００８に準拠した、室温（２５℃）での３点曲げ強度の値が２８０ＭＰａ以上のことである。

なお、本開示の耐熱部材が、アルミナ結晶１およびジルコニア結晶２を含有しているか否かは、以下の方法で確認すればよい。まず、本開示の耐熱部材を粉砕した後、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定する。そして、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なうことにより、アルミナ結晶１およびジルコニア結晶２の存在を確認することができる。

また、本開示の耐熱部材を構成する成分の含有量は、以下の方法で確認すればよい。まず、ＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、耐熱部材の含有成分の定量分析を行なう。そして、ＩＣＰで測定したアルミニウム（Ａｌ）およびジルコニウム（Ｚｒ）の含有量から、それぞれを酸化物換算して算出すればよい。

また、本開示の耐熱部材において、複数のジルコニア結晶２の少なくとも１つが、異なる傾きのラメラ構造の異傾ラメラ結晶２ａである。ここで、ラメラ構造とは、図１に示すように、断面視した際に、第１方向に沿って延び、第１方向に交わる第２方向に並ぶ、複数の層を有する領域Ａが存在する構造のことである。ここで、各層は、立方晶、正方晶または単斜晶のいずれかの結晶構造からなり、隣り合う層同士の面方向は異なっていると推察される。

また、異傾ラメラ結晶２ａとは、図１に示すように、断面視した際に、第２方向に並ぶラメラ構造の領域Ａと、第２方向に交わる第３方向に並ぶラメラ構造の領域Ｂとを有するジルコニア結晶２のことである。

ここで、ジルコニア結晶２の熱膨張係数は、一般的にアルミナ結晶１の熱膨張係数よりも大きい。そして、ラメラ構造のジルコニア結晶や異傾ラメラ結晶２ａではないジルコニア結晶（以下、単なるジルコニ結晶と記載する）は、その熱膨張係数に異方性があり、特定方向の熱膨張係数が特に大きい。一方、ラメラ構造のジルコニア結晶や異傾ラメラ結晶２ａは、隣り合う層同士の面方向が異なる構造であることから、単なるジルコニア結晶に比べて、熱膨張係数の異方性が小さい。特に、異傾ラメラ結晶２ａは、上述した構成であることで、熱膨張係数の異方性がより小さい。よって、異傾ラメラ結晶２ａであれば、単なるジルコニア結晶に比べて、急激な温度変化に伴う、アルミナ結晶１の熱膨張係数差に起因して発生する応力が小さくなり、亀裂または欠けが発生しにくくなる。よって、本開示の耐熱部材は、優れた耐熱衝撃性を有する。

また、優れた耐熱衝撃性とは、水中投下試験における耐熱温度が２５０℃以上であることである。ここで、水中投下試験における耐熱温度とは、Ｔ２（℃）に加熱した、３ｍｍ×４ｍｍ×３６ｍｍの試験片を、Ｔ２よりも低い温度であるＴ１（℃）の水中へ投下したときに、試験片に亀裂または欠けが発生しない温度差Ｔ２－Ｔ１（℃）の最大値のことである。

ここで、耐熱部材が、異傾ラメラ結晶２ａを有するか否かは、以下の方法で確認すればよい。まず、耐熱部材を切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）を用いて研磨することで研磨面を得る。次に、この研磨面を観察面として、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、観察面の特定視野を約１万倍の倍率で観察する。このとき、アルミナ結晶１は白色を呈し、ジルコニア結晶２は黒色を呈することから、アルミナ結晶１とジルコニア結晶２とは、目視で判別可能である。そして、ジルコニア結晶２において、上述した異傾ラメラ結晶２ａの特徴を有する結晶が有るか無いか確認すればよい。なお、異傾ラメラ結晶２ａの特徴の１つである、隣り合う層同士の面方向は異なっているかは、耐熱部材を切断し、集束イオンビーム(ＦＩＢ)で加工した加工面において、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ)を用いて約３万倍の倍率でジルコニア結晶２を観測し、得られた電子回折パターンに
おいて、２重回折が観測されるか否かで確認すればよい。

また、本開示の耐熱部材は、ジルコニア結晶２のうち、異傾ラメラ結晶２ａが占める個数割合は、４０％以上であってもよい。これは、例えば、１００個のジルコニア結晶２が存在した場合、その内の４０個以上のジルコニア結晶２が異傾ラメラ結晶２ａであることを意味する。そして、このような構成を満足するならば、異傾ラメラ結晶２ａにより、本開示の耐熱部材の耐熱衝撃性は向上する。

ここで、異傾ラメラ結晶２ａが占める個数割合は、以下の方法で算出すればよい。まず、上述した特定視野におけるジルコニア結晶２の個数をＸ、異傾ラメラ結晶２ａの個数をＹとし、Ｙ／Ｘ×１００の計算式により１つの特定視野における個数割合を求める。これを、異なる計５カ所の特定視野に対して行ない、得られたそれぞれの個数割合から平均値を求めればよい。

また、本開示の耐熱部材は、ガラスを含有し、構成される全成分１００質量％のうちの含有量が、ＳｉをＳｉＯ_２、ＣａをＣａＯ、ＭｇをＭｇＯに換算した値の合計が１１質量％以上４５質量％以下であってもよい。ここで、ガラスとは、酸化珪素（ＳｉＯ_２）に酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む、混合ガラスである。

このような構成を満足するならば、優れた耐熱衝撃性を有するガラスを構成する成分を上述の量含有していることで、本開示の耐熱部材は、機械的強度を維持しつつ、耐熱衝撃性が向上する。

ここで、本開示の耐熱部材がガラスを含有しているか否かは、以下の方法で確認すればよい。まず、本開示の耐熱部材を粉砕した後、ＸＲＤを用いて測定する。そして、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行ない、低角度側のハローパターンの存在によりガラスの有無を確認することができる。

また、ガラスの有無の他の確認方法としては、耐熱部材を切断し、ＣＰを用いて研磨した研磨面を観察面する。次に、この観察面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、ＳＥＭに付設のエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により、結晶以外の非晶質部分が確認されればその部分がガラスであり、その部分に電子線を照射して発生した蛍光Ｘ線を解析することにより、珪素、カルシウム、マグネシウムおよび酸素を含むガラスであるか否かを確認できる。

また、ＩＣＰを用いて、耐熱性部材の含有成分の定量分析を行ない、ＩＣＰで測定した珪素（Ｓｉ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量から、それぞれを酸化物換算して算出すればよい。

なお、構成される全成分１００質量％のうち、ＳｉのＳｉＯ_２換算での含有量と、ＣａのＣａＯ換算での含有量と、ＭｇのＭｇＯ換算での含有量との合計は、１１質量％以上４５質量％以下であるが、ＳｉのＳｉＯ_２換算での含有量は６質量％以上２５質量％以下、ＣａのＣａＯ換算での含有量は３質量％以上１４質量％以下、ＭｇのＭｇＯ換算での含有量は１質量％以上８質量％以下であってもよい。

また、本開示の耐熱部材は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ以外に、例えば、不可避不純物を合計で０．３質量％以下含有してもよい。不可避不純物としては、例えば、Ｎａ、Ｆｅ、Ｔｉであり、構成される全成分１００質量％のうちの含有量が、ＮａがＮａ_２Ｏ換算で０．０１質量％以上０．１質量％以下、ＦｅがＦｅ_２Ｏ_３換算で０．０１質量％以上０．１質量％以下、ＴｉがＴｉＯ_２換算で０．０１質量％以上０．１質量％以下であ
ってもよい。

また、本開示の耐熱性部材は、上述したように、優れた耐熱衝撃性を有していることから、車両内の暖房に用いられる急速昇温可能なヒータ用部材、高温高圧の気体等を流すための流路部材等の様々な技術分野において広く利用することができる。

次に、本開示の耐熱性部材の製造方法について以下に説明する。

まず、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末、安定化していない酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）粉末を準備する。

次に、ＡｌがＡｌ_２Ｏ_３換算で５０質量％以上８４質量％以下、ＺｒがＺｒＯ_２換算で５質量％以上２０質量％以下となるように、酸化アルミニウム粉末と酸化ジルコニウム粉末とを秤量するとともに混合し、混合粉末を得る。

次に、混合粉末をボールミル等の公知の方法で湿式粉砕し、公知の有機バインダを添加し、噴霧乾燥等の公知の方法で造粒し、造粒体を得る。

次に、得られた造粒体を、金型を用いたプレス成形等の公知の方法で成形し、成形体を得る。

次に、水素ガスを１体積％以上５０体積％以下含有する還元雰囲気下で、成形体を焼成する。このとき、焼成時の最高温度を１３００℃以上１５００℃以下とし、最高温度での保持時間は１時間以上１０時間以下とする。このように、水素ガスを用いて焼成することにより、ジルコニア結晶の少なくとも１つが、異なる傾きのラメラ構造の異傾ラメラ結晶となり、本開示の耐熱部材を得る。なお、還元雰囲気に含まれる水素ガス以外のガスの種類は、窒素ガスまたはアルゴンガス等の不活性ガスである。

また、ジルコニア結晶のうち、異傾ラメラ結晶が占める個数割合が４０％以上である耐熱部材を得るには、水素ガスを４体積％以上２０体積％以下含有する還元雰囲気下で焼成すればよい。

また、ガラスを含有し、ＳｉをＳｉＯ_２、ＣａをＣａＯ、ＭｇをＭｇＯに換算した値の合計が１１質量％以上４５質量％以下である耐熱部材を得るには、以下の方法で作製すればよい。まず、酸化アルミニウム粉末および酸化ジルコニウム粉末の他に、酸化珪素（ＳｉＯ_２）粉末、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）粉末および炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）粉末を準備する。次に、ＡｌがＡｌ_２Ｏ_３換算で５０質量％以上８４質量％以下、ＺｒがＺｒＯ_２換算で５質量％以上２０質量％以下となるとともに、ＳｉをＳｉＯ_２、ＣａをＣａＯ、ＭｇをＭｇＯに換算した値の合計が１１質量％以上４５質量％以下となるように、酸化アルミニウム粉末、酸化ジルコニウム粉末、酸化珪素粉末、炭酸カルシウム粉末および炭酸マグネシウム粉末を秤量するとともに混合し、混合粉末を得る。次に、この混合粉末から造粒体を得て、造粒体から成形体を得て、焼成することで耐熱部材を得ればよい。

１：アルミナ結晶
２：ジルコニア結晶
２ａ：異傾ラメラ結晶

Claims

複数のアルミナ結晶および複数のジルコニア結晶と、ガラスとを含有し、
構成される全成分１００質量％のうちの含有量が、ＡｌがＡｌ_２Ｏ_３換算で５０質量％以上８４質量％以下であり、ＺｒがＺｒＯ_２換算で５質量％以上２０質量％以下であり、ＳｉをＳｉＯ _２、ＣａをＣａＯ、ＭｇをＭｇＯに換算した値の合計が１１質量％以上４５質量％以下であり、複数の前記ジルコニア結晶の少なくとも１つが、異なる傾きのラメラ構造の異傾ラメラ結晶である耐熱部材。
前記ジルコニア結晶のうち、前記異傾ラメラ結晶が占める個数割合は、４０％以上である請求項１に記載の耐熱部材。