JPH02217356A - Ceramic material for internal chill and production thereof - Google Patents

Ceramic material for internal chill and production thereof

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JPH02217356A
JPH02217356A JP1038900A JP3890089A JPH02217356A JP H02217356 A JPH02217356 A JP H02217356A JP 1038900 A JP1038900 A JP 1038900A JP 3890089 A JP3890089 A JP 3890089A JP H02217356 A JPH02217356 A JP H02217356A
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raw material
less
breaking strain
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average particle
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Kaname Fukao
要 深尾
Toshiyuki Hamanaka
俊行 浜中
Setsu Harada
節 原田
Noboru Kondo
昇 近藤
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

PURPOSE:To improve stability of internal chill characteristics, heat (impact) resistance, cooling/heating cycle endurance, etc., by molding and burning a mixed powder of Al2O3 source raw material and TiO2 source raw material and cooling the burned material at a specific rate on the way to burning or during burning. CONSTITUTION:(i) Al2O3 source raw material containing <=96wt.% Al2O3 component, being 0-20wt.% in content of impurity consisting of SiO2 and/or Fe2O3 and having >=3mum average granule size is blended with (ii) TiO2 source raw material having <=3mum average granule size to provide a mixed powder. Then the mixed powder is molded and burned and then cooled from >=200 deg.C, preferably 350-1100 deg.C at a rate of 500 deg.C/Hr, preferably <=2000 deg.C/Hr to provide the title material containing >=65vol.% aluminum titanate as crystal phase and having >=10mum average granule size of the crystal and >=6X10<-3> breaking strain.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は中空管状のセラミックをアルミニウム、鋳鉄な
どの溶融金属で鋳ぐるむ場合に使用するセラミック材料
、特にガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等のボー
トライナー、エギゾーストマニホールドライナー ピス
トンキャビティ、シリンダートッププレート等に用いら
れる鋳ぐるみ用セラミック材料とその製造方法に関する
ものである。
Detailed Description of the Invention (Industrial Application Field) The present invention relates to ceramic materials used when hollow tubular ceramics are cast with molten metal such as aluminum or cast iron, and particularly to boat liners for gasoline engines, diesel engines, etc. , exhaust manifold liner, ceramic material for castings used in piston cavities, cylinder top plates, etc., and its manufacturing method.

(従来の技術) 近年自動車排ガスによる環境汚染が重要な社会問題とな
っており、自動車排ガス中の有害物質を触媒により除去
する方法が主体となっている。この触媒として使用され
ているPt、、Rh等の貴金属は資源上、コスト上の問
題から使用量の削減が課題となっており、また近年増加
傾向にある4バルブエンジンは排ガス温度低下による触
媒浄化性能の低下が問題となっている。これらの問題を
解決する方法の1つに、エンジンの排気ポート等の排気
系の内面を断熱性に優れたセラミンク製のライナーによ
ってライニングし、その断熱作用により排ガス温度を上
昇させることが従来から提案されている。
(Prior Art) In recent years, environmental pollution caused by automobile exhaust gas has become an important social problem, and methods of removing harmful substances from automobile exhaust gas using catalysts have become the main method. Reducing the amount of precious metals used as catalysts, such as Pt and Rh, has become an issue due to resource and cost issues, and 4-valve engines, which have been on the rise in recent years, require catalyst purification by lowering the exhaust gas temperature. Deterioration in performance is a problem. One method to solve these problems has been proposed in the past: lining the inner surface of the exhaust system, such as the engine exhaust port, with a liner made of ceramic, which has excellent heat insulation properties, and raising the exhaust gas temperature due to its heat insulation effect. has been done.

このような目的に使用されるセラミック材料としては、
ライナーの鋳ぐるみ工程における溶融金属の収縮による
大きな圧縮応力を緩和することができる低ヤング率の材
料が好ましく、本発明者等は先に結晶相としてチタン酸
アルミニウムを65容量%以上含有する低ヤング率の鋳
ぐるみ用セラミック材料を開発し、特開昭63−236
759号として既に提案したところである。
Ceramic materials used for this purpose include:
A material with a low Young's modulus that can alleviate the large compressive stress caused by contraction of molten metal in the liner casting process is preferable, and the present inventors have previously developed a material with a low Young's modulus that contains 65% by volume or more of aluminum titanate as a crystalline phase. Developed a ceramic material for castings, published in Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-236.
It has already been proposed as No. 759.

しかしその後の研究により、先願発明の材料中にはヤン
グ率Eが50〜2000に117m”の範囲内にあるに
もかかわらず、鋳ぐるみ時に破壊する材料と破壊しない
材料とがあることが判明し、安定した鋳ぐるみ特性が確
保できなかったためにその実用化に問題を残していた。
However, subsequent research revealed that some materials break during casting and others do not, even though the Young's modulus E is within the range of 50 to 2000 and 117 m''. However, since stable casting characteristics could not be ensured, there remained problems in its practical application.

(発明が解決しようとする問題点) 本発明は上記したような従来の問題点を解決して、耐熱
性、耐熱衝撃性、断熱性、冷熱サイクル耐久性等に優れ
るうえ、鋳ぐるみ時に発生する圧縮力によってもクラン
クを発生するおそれのない実用性に優れた鋳ぐるみ用セ
ラミック材料とその製造方法を目的として完成されたも
のである。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and has excellent heat resistance, thermal shock resistance, heat insulation, cold and hot cycle durability, etc. This work was completed with the aim of creating a highly practical ceramic material for castings that is free from the risk of cracking even under compressive force, and a method for manufacturing the same.

(問題点を解決するための手段) 本発明者は上記の課題を達成するために研究を重ねた結
果、従来のヤング率は材料の弾性領域における歪と応力
との関係式に基づいて求められたものであるが、本発明
のような鋳ぐるみ用セラミック材料にあっては、材料が
実際に破断するに至るまでのたわみ量がクラックが発生
するか否かを決定するうえで重要な意味を持ち、これに
基づいて算出された実破断歪により材料の特性を評価す
べきことを見出した。
(Means for Solving the Problems) As a result of repeated research in order to achieve the above-mentioned problems, the present inventor has found that the conventional Young's modulus is determined based on the relational expression between strain and stress in the elastic region of the material. However, in the case of ceramic materials for castings such as the present invention, the amount of deflection until the material actually breaks has an important meaning in determining whether or not cracks will occur. It was discovered that the properties of the material should be evaluated using the actual breaking strain calculated based on this.

本発明は上記の知見により完成されたものであり、第1
の発明は、結晶相としてチタン酸アルミニウムを65容
量%以上含有し、その結晶の平均粒径が10μm以上で
あり、実破断歪を6X10−3以上としたことを特徴と
するものである。
The present invention has been completed based on the above findings, and is based on the first
The invention is characterized in that it contains 65% by volume or more of aluminum titanate as a crystal phase, the average grain size of the crystals is 10 μm or more, and the actual breaking strain is 6×10 −3 or more.

なお、実破断歪は次式によって定義される無次元量であ
り、以下本明細書においてはこの定義によるものとする
Note that the actual breaking strain is a dimensionless quantity defined by the following equation, and this definition will be used hereinafter in this specification.

実破断歪=4点曲げ抗折強度/4点曲げ抗折強度測定の
際に試料が破断に至るまで のたわみ量から求めたヤング率 また第2の発明は、結晶相としてチタン酸アルミニウム
を65容量%以上含有し、その結晶の平均粒径が10μ
m以上であり、かつ希土類元素を酸化物に換算して0.
5〜16重量%含有するガラス相が17容量%以下であ
って、実破断歪を6XlO−3以上としたことを特徴と
するものである。
Actual breaking strain = 4-point bending bending strength / Young's modulus determined from the amount of deflection of the sample until it breaks during the 4-point bending bending strength measurement.The second invention also uses aluminum titanate as the crystalline phase. Contains vol% or more, and the average grain size of its crystals is 10μ
m or more, and when the rare earth element is converted into an oxide, it is 0.
It is characterized in that the glass phase containing 5 to 16% by weight is 17% by volume or less, and the actual breaking strain is 6XlO-3 or more.

また第3の発明は第1の発明の鋳ぐるみ用セラミック材
料の製造方法に関するもので、A1.O,ifl原料と
して、AItos成分が96重量%以下であって平均粒
径が3μ一以上の原料と、Ti01源原料として平均粒
径が3μm以下の原料とを混合した所定組成の粉体を成
形、焼成し、焼成途中および/または焼成後に200℃
以上の温度から500℃/Hr以上の速度で冷却するこ
とを特徴とする。
Further, the third invention relates to the method for producing the ceramic material for casting according to the first invention, and A1. A powder of a predetermined composition is formed by mixing a raw material with an AItos component of 96% by weight or less and an average particle size of 3 μm or more as an O, ifl raw material, and a raw material with an average particle size of 3 μm or less as a Ti01 source raw material. , fired at 200°C during and/or after firing.
It is characterized by cooling from the above temperature at a rate of 500° C./Hr or more.

さらに第4の発明は、第2の発明の鋳ぐるみ用セラミッ
ク材料の製造方法に関するものであり、^1xOs I
I原料として、Altos成分が96重量%以下であっ
て平均粒径が3tI■以上の原料と、ttozl原料と
して平均粒径が3μm以下の原料と、希土類元素を酸化
物に換算して1.8重量%以下配合した所定組成の粉体
を成形、焼成し、焼成途中および/または焼成後に20
0’C以上の温度から500℃/Hr以上の速度で冷却
することを特徴とするものである。
Furthermore, a fourth invention relates to a method for manufacturing the ceramic material for castings according to the second invention, and includes ^1xOs I
As the I raw material, a raw material with an Altos component of 96% by weight or less and an average particle size of 3tI■ or more, and as a ttozl raw material, a raw material with an average particle size of 3 μm or less, and a rare earth element of 1.8% in terms of oxide. A powder of a predetermined composition containing % by weight or less is molded and fired, and during and/or after firing 20%
It is characterized by cooling from a temperature of 0'C or higher at a rate of 500C/Hr or higher.

以下に各発明の構成について説明する。The configuration of each invention will be explained below.

まず第1の発明において、結晶相中のチタン酸アルミニ
ウムの割合を65%以上とし、平均粒径を10μm以上
としたのは、これらの条件を外れた場合には実破断歪が
6X10−3未満となり、鋳ぐるみ時にクランクが発生
するからである。実破断歪を6X10−”以上としたの
は、後の実施例にも示すように実破断歪の値がこれ未満
のものは鋳ぐるみ時にクラックが発生し易いからであり
、特に実破断歪を10 X 10−’  以上とするこ
とが好ましい、また鋳ぐるみ時にはセラミックスは高温
の溶融金属に触れるため、高温下でも実破断歪が6X1
0−3以上となることが好ましい。
First, in the first invention, the proportion of aluminum titanate in the crystal phase is set to 65% or more and the average grain size is set to 10 μm or more because, if these conditions are exceeded, the actual breaking strain is less than 6X10-3. This is because cranking occurs during casting. The reason why the actual breaking strain was set to be 6×10-” or more is because, as shown in the later examples, if the actual breaking strain is less than this value, cracks are likely to occur during casting. 10 x 10-' or more is preferable, and since ceramics come into contact with high-temperature molten metal during casting, the actual breaking strain is 6 x 1 even at high temperatures.
It is preferable that it is 0-3 or more.

第2の発明は冷熱サイクル耐久性を改善する目的で第1
の発明の材料中に希土類元素を添加したもので、この場
合にガラス相の量が17容量%を越えると実破断歪が6
X10−”未満となってしまうため、ガラス相の量を1
7容量%以下とした。さらにガラス相中の希土類元素が
酸化物に換算して0.5重量%未満であると、冷熱サイ
クルによる抗折強度の劣化率が10%を越え、逆に16
重置%を越えると実破断歪が6X10−’未満となって
しまうため、ガラス相中の希土類元素を酸化物に換算し
て0.5〜16重量%の範囲内とした。
The second invention is based on the first invention for the purpose of improving thermal cycle durability.
In this case, if the amount of glass phase exceeds 17% by volume, the actual breaking strain will be 6.
Since it becomes less than X10-", the amount of glass phase is
It was set to be 7% by volume or less. Furthermore, if the rare earth element in the glass phase is less than 0.5% by weight in terms of oxide, the deterioration rate of bending strength due to cooling and heating cycles will exceed 10%, and conversely
If the weight ratio exceeds %, the actual breaking strain will be less than 6×10-', so the rare earth element in the glass phase was adjusted to be within the range of 0.5 to 16% by weight in terms of oxide.

なお、第1.第2の発明の材料において、気孔率が5%
未満では十分な断熱効果が得られず、35%を越えると
実破断歪が本発明の範囲を外れる場合がある。更にセラ
ミック材料の組成で^It(h 40〜65重量%、T
iO*30〜60重量%とすることが好ましい、その理
由はこれ以外の組成ではチタン酸アルミニウムの結晶量
が65容量%以上になりにくく、また5i01、MgO
、Fearsの少なくとも1種を総計10重景%以下含
有させると好ましいのは、これらが10重量%を越える
とチタン酸アルミニウムの結晶量が65容量%以上にな
りにくく、また結晶粒径が10μm以上とならない場合
があるからである、本発明のセラミック材料は2.Ox
lO−”(40〜800℃)以下の熱膨脹係数を持ち、
高温の排気ガスと直接接触するポートライナー等に好適
である。
In addition, 1. In the material of the second invention, the porosity is 5%
If it is less than 35%, a sufficient heat insulating effect cannot be obtained, and if it exceeds 35%, the actual breaking strain may be out of the range of the present invention. Furthermore, the composition of the ceramic material is ^It (h 40-65% by weight, T
It is preferable to set iO*30 to 60% by weight, because with other compositions, it is difficult for the amount of crystals of aluminum titanate to exceed 65% by volume, and 5i01, MgO
It is preferable to contain at least 10% by weight or less of at least one of the following: , Fears in total, because if the content exceeds 10% by weight, the crystal content of aluminum titanate will be difficult to exceed 65% by volume, and the crystal grain size will be 10 μm or more. This is because the ceramic material of the present invention may not meet 2. Ox
It has a coefficient of thermal expansion of 1O-” (40 to 800°C) or less,
Suitable for port liners etc. that come into direct contact with high temperature exhaust gas.

次に第3の発明における数値限定の理由は次の通りであ
る。 Al2O3源原料の練原料96重量%より高く、
平均粒径が3μm以上の場合、^1!0.源原料の反応
性が低いために未反応残留物が多く、実破断歪が6X1
0−”未満となり、鋳ぐるみによるクラック発生のおそ
れがある。また^how iff原料の平均粒径が3μ
mより小さい場合、AI、0.源原料の純度にかかわら
ずチタン酸アルミニウムの平均粒径が10μm以下とな
り、実破断歪が6X10−3未満となってしまう、さら
にAltos R原料に含まれる不純物が、重量%でS
iOx 20%、Pe20.20%、あるいはSiO□
とFe10Hの総計で20%を越えると、チタン酸アル
ミニウムの結晶が65%以上とならず結晶粒径がlθμ
曽以上とならない場合がある0以上の理由からAlto
z Ifl原料は重量%で純度が96%以下、平均粒径
が3μm以上でなければならず、好ましくは不純物はS
ing 0〜20%、Peg’s O〜20%、あるい
はSiO□とFeJzの総計で0〜20%であることが
好ましい。
Next, the reason for the numerical limitation in the third invention is as follows. Higher than 96% by weight of the refined material of the Al2O3 source raw material,
If the average particle size is 3 μm or more, ^1!0. Due to the low reactivity of the source material, there are many unreacted residues, and the actual breaking strain is 6X1.
If the average particle size of the raw material is 3μ, there is a risk of cracks occurring due to the casting.
If smaller than m, AI, 0. Regardless of the purity of the source material, the average particle size of aluminum titanate is 10 μm or less, and the actual breaking strain is less than 6X10-3. Furthermore, the impurities contained in the Altos R raw material are S
iOx 20%, Pe20.20%, or SiO□
If the total amount of Fe10H and Fe10H exceeds 20%, the crystal grain size of aluminum titanate will not exceed 65% and the crystal grain size will decrease lθμ.
Alto may not be greater than or equal to 0 for reasons greater than or equal to 0.
z Ifl raw material must have a purity of not more than 96% by weight and an average particle size of not less than 3 μm, preferably impurities are S
ing 0 to 20%, Peg's O to 20%, or the total amount of SiO□ and FeJz is preferably 0 to 20%.

さらにTi01源原料は平均粒径が3μmより大きいと
未反応残留物が多くなるために実破断歪が6X 10−
’未満となり、鋳ぐるみによるクラック発生のおそれが
ある。従ってTiO□源原料は平均粒径が3ps以下で
なければならない。
Furthermore, if the average particle size of the Ti01 source material is larger than 3 μm, the actual breaking strain will be 6X 10- because unreacted residue will increase.
If it is less than ', there is a risk of cracks occurring due to the casting. Therefore, the TiO□ source material must have an average particle diameter of 3 ps or less.

第3の発明においては、焼成途中および/または焼成後
に200℃以上の温度から40℃に至るまでの最大冷却
速度を500℃/Hrとして急冷処理することによって
、材料の実破断歪を高めている。ここで急冷処理開始温
度が200℃未満あるいは最大冷却速度が500℃/H
r未満であると、実破断歪を十分に高くできない、好ま
しくは急冷処理開始温度を350−1100℃の範囲内
とし、急冷処理開始温度からの最大冷却速度を2000
℃/Hrとすることにより、実破断歪を10 X 10
−”以上に高めることができる。なお急冷処理開始温度
が1100℃を越えると、実破断歪の向上割合が減少し
、チタン酸アルミニウムの分解が生じたり、製品が大型
で複雑な形状になると急冷のときに破損するおそれがあ
る。
In the third invention, the actual breaking strain of the material is increased by performing rapid cooling treatment during and/or after firing with a maximum cooling rate of 500°C/Hr from a temperature of 200°C or higher to 40°C. . Here, the quenching start temperature is less than 200℃ or the maximum cooling rate is 500℃/H.
If it is less than r, the actual breaking strain cannot be made sufficiently high. Preferably, the quenching start temperature is within the range of 350-1100°C, and the maximum cooling rate from the quenching start temperature is 2000°C.
℃/Hr, the actual breaking strain is 10 x 10
If the quenching start temperature exceeds 1100℃, the rate of improvement in the actual breaking strain will decrease, decomposition of aluminum titanate may occur, or if the product is large and has a complicated shape, quenching may cause There is a risk of damage when.

第4の発明における希土類元素の添加量を酸化物に換算
して1.8重量%以下としたのも実破断歪を6X10−
”以上に高めるためである。
The fact that the amount of rare earth elements added in the fourth invention is 1.8% by weight or less in terms of oxides also reduces the actual breaking strain to 6X10-
``This is to raise the level even higher than that.

本発明のセラミック材料を製造するには、まずアルミナ
、仮焼ボーキサイト、精製ルチル、粗製ルチル、アナタ
ーゼ型チタン、イルメナイト、フェライトベンガラ、電
融マグネシウム、マグネサイト、電融スピネル、カオリ
ン、石英、電融シリカおよび所定の希土類元素等から、
化学組成が重量%でAhOs 40〜65%、TiOx
 30〜60%であり、StO,、MgO、Pt403
の少なくとも1種が総計で10%以下となるように原料
を選択する。このとき、AlxOs源原料として^lオ
O3成分が96重量%以下であって平均粒径が3μ層以
上の原料と、Ti0zlll原料として平均粒径が3μ
m以下の原料とを混合する必要がある。また冷熱サイク
ル耐久性を改善するために添加される希土類元素は、硝
酸塩、酸化物、その他の化合物の形でも添加することが
できるが、微量の添加で十分な効果を得るためには、微
粒子の原料を用いて均一分散させることが好ましい、希
土類元素としてはY、 La、 Ce、 Dy、 Nd
等が経済的に好ましいものである。 La、 Dy、 
NdはYと同等の効果を有している。
To produce the ceramic material of the present invention, first, alumina, calcined bauxite, purified rutile, crude rutile, anatase titanium, ilmenite, red red ferrite, fused magnesium, magnesite, fused spinel, kaolin, quartz, fused From silica and certain rare earth elements, etc.
Chemical composition is 40-65% by weight of AhOs, TiOx
30-60%, StO, MgO, Pt403
The raw materials are selected so that the total content of at least one of the following is 10% or less. At this time, a material containing 96% by weight or less of O3 component and an average particle size of 3μ or more layer is used as the AlxOs source material, and a material with an average particle size of 3μ as the TiOzlll material is used.
It is necessary to mix with m or less raw materials. Rare earth elements added to improve thermal cycle durability can also be added in the form of nitrates, oxides, and other compounds, but in order to obtain a sufficient effect with a trace amount of addition, it is necessary to Rare earth elements that are preferably uniformly dispersed using raw materials include Y, La, Ce, Dy, and Nd.
etc. are economically preferable. La, Dy,
Nd has the same effect as Y.

これに水ガラス、ポリカルボン酸アンモニウム塩、アミ
ン類、ピロリン酸ナトリウム等から選択された解膠剤を
0.1〜1.0%添加し、更にPVA、MC,CMC、
アクリル酸塩等から選択されたバインダを1.0〜5.
0%添加して15〜40%の水とともにトロンメル、ボ
ンドミル等で十分に混合撹拌して200〜1000cp
の粘度のスラリーを調整する。このようなスラリーは流
し込み法によって円筒形又はポートライナーの形状に成
形されたうえで乾燥、焼成される。この結果、結晶相と
してチタン酸アルミニウムを65%以上含有し、希土類
元素を添加した場合には希土類元素を酸化物に換算して
0.5〜16%含有するガラス相を17%以下含有する
耐熱性、耐熱衝撃性、断熱性および冷熱サイクル耐久性
に優れたチタン酸アルミニウム焼結体が得られるのであ
るが、その他の結晶相としてルチル、コランダム、ムラ
イトのうち1種以上の結晶を含んでもよい。
To this, 0.1 to 1.0% of a deflocculant selected from water glass, polycarboxylic acid ammonium salt, amines, sodium pyrophosphate, etc. is added, and further PVA, MC, CMC,
A binder selected from acrylates and the like is used in a range of 1.0-5.
Add 0% and thoroughly mix and stir with 15-40% water using a trommel, bond mill, etc. to make 200-1000 cp.
Adjust the viscosity of the slurry. Such a slurry is formed into a cylindrical or port liner shape by a casting method, and then dried and fired. As a result, a heat-resistant product containing 65% or more of aluminum titanate as a crystal phase, and 17% or less of a glass phase containing 0.5 to 16% of the rare earth element in terms of oxide when rare earth elements are added. An aluminum titanate sintered body having excellent properties, thermal shock resistance, heat insulation properties, and cold/hot cycle durability can be obtained, but it may also contain one or more crystals among rutile, corundum, and mullite as other crystal phases. .

本発明においては、この焼成の際の条件を例えば145
0〜1650℃1好ましくはtsoo〜1600℃でl
〜16時間程時間膜定することにより、チタン酸アルミ
ニウムの結晶を従来の常識に反して平均粒径が10μm
以上となるまで十分に成長させる。さらに焼成途中およ
び/または焼成後に200℃以上、好ましくは350℃
以上の温度から40℃まで冷却する際に、その最大冷却
速度を500℃/Hr以上、好ましくは2000℃/H
r以上とした急冷処理を行う、この急冷処理は炉内での
放冷、ブロアによる空冷、水中投下環の方法で行うこと
ができ、2回以上の繰り返し処理を行うこともできる。
In the present invention, the firing conditions are, for example, 145
0 to 1650°C, preferably tsoo to 1600°C
Contrary to conventional wisdom, the average particle size of aluminum titanate crystals was 10 μm by film-containing for ~16 hours.
Let it grow until it reaches the above level. Furthermore, during and/or after firing, 200°C or more, preferably 350°C
When cooling from a temperature above to 40℃, the maximum cooling rate should be 500℃/Hr or more, preferably 2000℃/Hr.
This rapid cooling treatment can be carried out by cooling in a furnace, air cooling with a blower, or dropping into water, and the treatment can be repeated two or more times.

これによって実破断歪がl0XIO−”以上の材料を得
ることができる。なお、上記のような急冷処理によって
実破断歪を向上させることができる理由は現時点におい
て完全には解明されていないが、チタン酸アルミニウム
焼結体の内部の非常に微小なマイクロクランクがほとん
ど強度を低下させない範囲で増加するためと推定される
This makes it possible to obtain a material with an actual breaking strain of 10 This is presumed to be due to the extremely small micro-crank inside the acid aluminum sintered body increasing within a range that hardly reduces the strength.

このような高実破断歪のセラミック材料は涛ぐるんだ金
属材料が収縮する際に金属材料とともに収縮することが
でき、特に従来の高強度低実破断歪セラミックでは応力
の集中により破壊してしまうような複雑な形状でもクラ
ンクを発生することがない、従って円筒タイプのポート
ライナーはもちろんのこと第1図及び第2図に示すよう
な4パルプエンジン用のシリンダー側に2本のポート(
2)を有し、エギゾーストマニホールド側に単一の排気
口(1)を有する複雑形状なポートライナー(3)ある
いは第3図に示すようなエギゾーストマニホールドライ
ナー(4)にも好適である。またこの焼結体中のマイク
ロクランクにより熱伝導率が低くなり、比較的気孔率が
小さくても十分な断熱効果が発揮される。
Ceramic materials with such high actual breaking strain can shrink together with the metal material when the undulating metal material contracts, and in particular, conventional high-strength, low actual breaking strain ceramics break due to stress concentration. Even with such a complicated shape, cranking does not occur.Therefore, not only cylindrical port liners but also two ports on the cylinder side for 4-pulp engines as shown in Figures 1 and 2 (
2) and is also suitable for a complex-shaped port liner (3) having a single exhaust port (1) on the exhaust manifold side or an exhaust manifold liner (4) as shown in FIG. Furthermore, the microcranks in this sintered body lower the thermal conductivity, and a sufficient heat insulating effect can be achieved even if the porosity is relatively small.

チタン酸アルミニウムは1700℃以上の融点ををする
ため、鋳ぐるむための溶融金属は特に制限はなくネズミ
鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄、アルミニウム合金、銅合
金、マグネシウム合金、亜鉛合金による鋳ぐるみに適用
できる。
Since aluminum titanate has a melting point of over 1700℃, there are no particular restrictions on the molten metal used for casting, and it is applicable to castings made of gray cast iron, spheroidal graphite cast iron, white cast iron, aluminum alloy, copper alloy, magnesium alloy, and zinc alloy. can.

またガラス相中に微量の希土類元素を存在させることに
よって、粒界ガラス相がチタン酸アルミニウムと強固に
接合され、上記の高実破断歪の鋳ぐるみに好適な性質を
損なうことなく冷熱耐久性を兼ね備えた材料が得られる
In addition, by having a small amount of rare earth elements present in the glass phase, the grain boundary glass phase is firmly bonded to aluminum titanate, and the cold and heat durability is improved without impairing the above-mentioned properties suitable for castings with high breaking strain. You can obtain materials that have both

以下に本発明の実施例を示す。Examples of the present invention are shown below.

(実施例) 以下の第1表に示されるAltos源原料および第2表
に示されるTiO2源原料を主原料として、第3表に示
される試験N[L1〜N[113および第4表に示され
る試験Nl114〜漱28の組成となるように原料を調
合し、鋳型に流し込んで第5図に示される肉厚4鵬の二
股楕円筒形状のテストピース(5)を作成した、各テス
トピースを第3表および第4表に記した条件で焼成し、
得られた焼成体に対して各種特性を測定した。
(Example) Using the Altos source material shown in Table 1 below and the TiO2 source material shown in Table 2 as main raw materials, tests N[L1 to N[113] shown in Table 3 and shown in Table 4 were used as main raw materials. The raw materials were mixed to have the compositions of N114 to N128, and poured into a mold to create a test piece (5) in the form of a bifurcated elliptical cylinder with a wall thickness of 4 mm as shown in Figure 5. Baked under the conditions listed in Tables 3 and 4,
Various properties were measured for the obtained fired body.

次に各焼成体に鋳砂を詰めた後に、アルミニウムにより
鋳ぐるみ、アルミニウム肉厚が7閣の金属セラミック複
合体を作成した。鋳砂を除去した後にテストピースにク
ラックが発生したか否かを目視で確認した。その結果を
第3表および第4表に示した。
Next, each fired body was filled with casting sand and then cast with aluminum to create a metal-ceramic composite with an aluminum wall thickness of 7 mm. After removing the casting sand, it was visually confirmed whether or not cracks had occurred in the test piece. The results are shown in Tables 3 and 4.

第4表において冷熱サイクル試験は、第6図に示される
ように室温10分間保持と900℃20分間保持の冷熱
サイクルを50回繰り返し、その前後での抗折強度の劣
化率を測定した。またチタン酸アルミニウムおよびガラ
ス相の量は、88M写真におけるそれぞれの面積率から
求めた体積%として算出した。さらにガラス相中の希土
類元素の量は、透過電子顕微鏡でのBOX分析を用いて
測定した。なお、本発明と比較例の材料について、急冷
処理による変化を確認するために焼成物と急冷処理を実
施した後の焼成物の電子顕微鏡写真を第8図(a)、(
b)にそれぞれ示す、第8図(a) 、(b)から、急
冷処理によって結晶構造に大きな変化はなく、急冷処理
による強度変化率は予想されない、また急冷処理条件の
急冷開始温度を変更したときの実破断歪の変化を第7図
(a)に、急冷処理条件の冷却速度を変更したときの実
破断歪の変化を第7図(b)に示した。
In Table 4, in the thermal cycle test, as shown in FIG. 6, a thermal cycle of holding at room temperature for 10 minutes and holding at 900° C. for 20 minutes was repeated 50 times, and the deterioration rate of bending strength was measured before and after the cycle. Further, the amounts of aluminum titanate and glass phase were calculated as volume % determined from the respective area ratios in the 88M photograph. Furthermore, the amount of rare earth elements in the glass phase was measured using BOX analysis using a transmission electron microscope. For the materials of the present invention and comparative examples, electron micrographs of the fired products and the fired products after the rapid cooling treatment are shown in Figure 8 (a) and (
From Figures 8(a) and 8(b) shown in b), there is no major change in the crystal structure due to the quenching treatment, and no change in strength is expected due to the quenching treatment.Also, the quenching start temperature of the quenching treatment conditions was changed. FIG. 7(a) shows the change in the actual breaking strain when the cooling rate of the quenching treatment conditions was changed, and FIG. 7(b) shows the change in the actual breaking strain when the cooling rate of the quenching treatment conditions was changed.

第1表 第3腐り 第2表 第3衷2) 第4A2) 第4刈1) (発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明の鋳ぐるみ用セ
ラミンク材料とその製造方法によれば、実破断歪を6X
10−3以上とした新規な鋳ぐるみ用セラミック材料を
得ることができる。この材料は耐熱性と耐熱衝撃性及び
断熱性に優れるうえ、鋳ぐるみ時に発生する圧縮力によ
ってもクランクを発生するおそれのない実用性に優れた
ものであるから、高温の排気ガスと接触するポートライ
ナーをはじめ排気系の各種ライナーの材料として好適な
ものである。よって本発明は従来の問題点を解消した鋳
ぐるみ用セラミック材料とその製造方法として、産業の
発展に寄与するところは極めて大である。
Table 1 Table 3 Rotation Table 2 Table 3 Inner 2) 4A2) 4th reaping 1) (Effects of the invention) As is clear from the above explanation, the ceramic material for castings and the manufacturing method thereof of the present invention If the actual breaking strain is 6X
It is possible to obtain a novel ceramic material for castings having a particle diameter of 10-3 or more. This material has excellent heat resistance, thermal shock resistance, and heat insulation properties, and is highly practical as it does not cause any risk of cranking due to the compressive force generated during casting. It is suitable as a material for various liners of exhaust systems, including Therefore, the present invention greatly contributes to the development of industry as a ceramic material for castings and a method for producing the same that solves the conventional problems.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は4パルプエンジン用ボートライナーの斜視図、
第2図はエンジンヘッドに鋳ぐるみ後のボートライナー
の断面図、第3図はエギゾーストマニホールドライナー
の鋳ぐるみ後の断面図、第4図は急冷処理条件のスケジ
ュールの一例を示すグラフ、第5図(a)は鋳ぐるみテ
ストに用いたテストピースの縦断面図、第5図(b)は
その水平断面図、第6図は本発明の評価方法における冷
熱サイクルのスケジュールを示すグラフ、第7図(a)
は急冷処理条件の急冷開始温度を変更したときの実破断
歪の変化を示すグラフ、第7図(b)は急冷処理条件の
冷却速度を変更した場合の実破断歪の変化を示すグラフ
、第8図(a)は焼成後急冷処理を行った焼成体の結晶
の構造を示す図面代用写真、第8図(、b)は比較例の
焼成体の結晶の構造を示す図面代用写真である。
Figure 1 is a perspective view of a boat liner for a 4-pulp engine.
Figure 2 is a cross-sectional view of the boat liner after being cast into the engine head, Figure 3 is a cross-sectional view of the exhaust manifold liner after being cast, Figure 4 is a graph showing an example of the schedule for rapid cooling treatment conditions, Figure 5 (a) is a vertical sectional view of the test piece used in the casting test, FIG. 5(b) is a horizontal sectional view thereof, FIG. 6 is a graph showing the schedule of the cooling and heating cycle in the evaluation method of the present invention, and FIG. 7 (a)
7(b) is a graph showing the change in the actual breaking strain when changing the quenching start temperature of the quenching treatment condition, and FIG. FIG. 8(a) is a photograph substituted for a drawing showing the crystal structure of a fired body subjected to a quenching treatment after firing, and FIG. 8(b) is a photograph substituted for a drawing showing the crystal structure of a fired body of a comparative example.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、結晶相としてチタン酸アルミニウムを65容量%以
上含有し、その結晶の平均粒径が10μm以上であり、
実破断歪を6×10^−^3以上としたことを特徴とす
る鋳ぐるみ用セラミック材料。 2、結晶相としてチタン酸アルミニウムを65容量以上
含有し、その結晶の平均粒径が10μm以上であり、か
つ希土類元素を酸化物に換算して0.5〜16重量%含
有するガラス相が17容量%以下であって、実破断歪を
6×10^−^3以上としたことを特徴とする鋳ぐるみ
用セラミック材料。 3、Al_2O_3源原料として、Al_2O_3成分
が96重量%以下であって平均粒径が3μm以上の原料
と、TiO_2源原料として平均粒径が3μm以下の原
料とを混合した所定組成の粉体を成形、焼成し、焼成途
中および/または焼成後に200℃以上の温度から50
0℃/Hr以上の速度で冷却することを特徴とする鋳ぐ
るみ用セラミック材料の製造方法。 4、Al_2O_3源原料として、Al_2O_3成分
が96重量%以下であって平均粒径が3μm以上の原料
と、TiO_2源原料として平均粒径が3μm以下の原
料と、希土類元素を酸化物に換算して1.8重量%以下
配合した所定組成の粉体を成形、焼成し、焼成途中およ
び/または焼成後に200℃以上の温度から500℃/
Hr以上の速度で冷却することを特徴とする鋳ぐるみ用
セラミック材料の製造方法。
[Claims] 1. Contains 65% by volume or more of aluminum titanate as a crystal phase, and the average grain size of the crystals is 10 μm or more;
A ceramic material for casting, characterized by having an actual breaking strain of 6×10^-^3 or more. 2. A glass phase containing 65 volumes or more of aluminum titanate as a crystalline phase, the average grain size of the crystals being 10 μm or more, and 0.5 to 16% by weight of rare earth elements in terms of oxides. A ceramic material for castings, characterized in that the actual breaking strain is 6×10^-^3 or more, and the actual breaking strain is 6×10^-^3 or more. 3. Molding powder of a predetermined composition by mixing a raw material with an Al_2O_3 component of 96% by weight or less and an average particle size of 3 μm or more as an Al_2O_3 source raw material, and a raw material with an average particle size of 3 μm or less as a TiO_2 source raw material. , fired, and heated to 50°C from a temperature of 200°C or higher during and/or after firing.
A method for manufacturing a ceramic material for casting, characterized by cooling at a rate of 0° C./Hr or more. 4. As the Al_2O_3 source raw material, a raw material with an Al_2O_3 component of 96% by weight or less and an average particle size of 3 μm or more, and as a TiO_2 source raw material, a raw material with an average particle size of 3 μm or less, and rare earth elements converted into oxides. A powder of a predetermined composition containing 1.8% by weight or less is molded and fired, and heated from a temperature of 200°C or higher to 500°C during and/or after firing.
A method for producing a ceramic material for casting, characterized by cooling at a rate of Hr or more.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH04305054A (en) * 1991-03-29 1992-10-28 Ngk Insulators Ltd Aluminum titanate structure and production thereof
WO1994008345A1 (en) * 1992-09-25 1994-04-14 Ngk Insulators, Ltd. Solid insulator and method of manufacturing the same

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