JPH02258670A - 低熱膨張性セラミックス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱交換器、エンジン部品、ガスタービン部品
等に極めて有用な低熱膨張性セラミックスに関する。

〔従来の技術〕

低熱膨張性を示すセラミックスとして、チタン酸アルミ
ニウム結晶からなる多結晶体がよく知られている。これ
はチタン酸アルミニウム単結晶が熱膨張係数において著
しい異方性を有し、これによって、多結晶体としての実
質的に非常に小さい熱膨張率を示すことによる。

このような特性を持つチタン酸アルミニウム結晶は、約
１２００℃以上の高温度域では安定しているが、これよ
りも低温度域では、共析変態によりアルミナとチタニア
とに分解する。近年、低熱膨張性材料としての観点から
、チタン酸アルミニウムの分解抑制に関する研究が多く
なされている。

たとえば、０化、　１９８１．　Ｎｏ、１０．１６４７
−１６５５．　Ｊ、　Ｌｅｓｓ−Ｃｏｍｍｏｎ　Ｍｅｔ
ａｌｓ、２４（１９７１Ｎ２９−１３８等には、チタン
酸アルミニウムとこれと同一結晶構造であるチタン酸マ
グネシウム、チタン酸鉄等との固溶体を生成させること
が分解抑制として有効であると報告されている。この他
に、特開昭５２−２３１１３号、特開昭５３−３４８１
２号、特開昭５７−３７６７　号の公報には、酸化けい
素、酸化錫、酸化ジルコニウム等の金属酸化物を添加す
ることもチタン酸アルミニウムの分解：３１］制に有効
であることが開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、これらの考えにより得られる多結晶体に
おいても、熱分解抑制は必ずしも充分ではない。

すなわち、チタン酸アルミニウム多結晶体を大気中１０
００〜１２００℃の温度領域で加熱すると、分解してコ
ランダムとルチルとになる。これにより、低熱膨張特性
が消失するために急加熱冷却に対する抵抗性が減少し、
チタン酸アルミニウム多結晶体本来の好ましい特性がな
くなるという問題点がある。

このことが、耐熱性、耐熱衝撃性等を必要とする機械構
造部材としての実用化を阻む大きな原因となっている。

本発明において解決すべき課題は、このチタン酸アルミ
ニウムにおける熱分解による問題を解消して、熱分解を
抑制でき、しかも、耐熱性１機械的特性の劣化を起こさ
ない低熱膨張性セラミックスを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のセラミックスは、結晶相をチタン酸アルミニウ
ム−チタン酸マグネシウム固溶体にすることによって低
熱膨張とし、その上、チタン酸アルミニウム−チタン酸
マグネシウム固溶体とチタン酸イツトリウムとからなる
複合組織を形成することによって熱分解性を大きく低減
することに成功したものである。

また、本発明による低熱膨張性セラミックスは化学組成
をＡ　ｉ’　２０．３５．０〜５０．０重量％、Ｔｉ○
２４５．０〜５５．０　重１　％、Ｍｇ　０２．０〜６
．０重量９Ａ及びＹ２Ｏ３１，８〜５．０重量％を有す
る構成とすることによって上記結晶相を得ることができ
る。

上記化学組成については、八１２０．とＴｌＯ２とＭｇ
Ｏとの比率が、生成する結晶相であるチタン酸アルミニ
ウム−チタン酸マグネシウム固溶体において、最終的に
生成するチタン酸アルミニウム対チタン酸マグネシウム
の固溶比率が９０対１０重重比から７０対３０重量比の
範囲になるように選択したものである。

このチタン酸アルミニウム対チタン酸マグネシウム固溶
比率において、チタン酸アルミニウムがこの範囲よりも
少ない場合は、その固溶体の耐熱性が低下して、高温耐
熱部材としての適性に欠ける。また、チタン酸アルミニ
ウムの比率がこの範囲よりも多い場合は、１０００〜１
２００℃で加熱を受けた場合の固溶体の分解によって低
熱膨張特性が損なわれることになる。

化学組成において、１．８〜５．０重量％含有するＹ２
Ｏ３は、生成するチタン酸イツトリウムの比率が最終的
に得られる焼結体全体に対して、３．０〜８．５　重量
％となるように選択する。

チタン酸イツトリウムがこの範囲よりも少ない場合は、
１０００〜１２００℃で加熱を受けた場合の分解の程度
が無視できなくなり、低熱膨張特性が損なわれることに
なる。また、この範囲よりも多い場合は、チタン酸アル
ミニウム−チタン酸マグネシウム固溶体の熱分解は無視
できる程度となるが、チタン酸アルミニウム−チタン酸
マグネシウム固溶体とチタン酸イツトリウムとからなる
複合多結晶体の熱膨張率が大きくなる。

本発明による低熱膨張性セラミックスは、一般に市販粉
末状の酸化アルミニウムと酸化チタンと酸化マグネシウ
ムとを所定の割合に配合したものから、通常の方法によ
り成形体を作製し、１３５０〜１６００℃の温度に保持
した後冷却することにより得られる。

あるいはまた、焼成過程においてこれら酸化力になるよ
うな成分原料を所定の割合に配合したものを同様の方法
により成形及び焼成することにより得られる。また、最
終的に生成する結晶相のものからなる原料粉末を所定の
割合に配合したものを同様の方法により成形及び焼成す
ることにより得られる。

〔実施例〕

第１実施例 第１表に示す組成の原料配合物を湿式混合した後、噴霧
造粒によりプレス成形用顆粒とした。この顆粒を乾式プ
レスして製作した成形体を、二珪化モリブデン質発熱体
の電気炉中で１５００℃まで１５０’Ｃ／ｈｒの速さで
昇温し、４時間保持した後、自然放冷により焼結体を得
た。これらの焼結体の密度。

気孔率１曲げ強さ、結晶相及び熱膨張特性を測定した。

第１表に示すように、チタン酸アルミニウム−チタン酸
マグネシウム固溶体におけるチタン酸マグネシウムの比
率が高くなると、焼結体の耐熱性が低下した。同固溶体
の比率が適正範囲内にある焼結体は、結晶相がチタン酸
アルミニウム−チタン酸マグネシウム固溶体とチタン酸
イツトリウムとからなっており、低熱膨張性を示すこと
が確認された。

第２実施例 第２表に示す組成の原料配合物を湿式混合した後、噴霧
造粒によりプレス成形用類型とした。顆粒を乾式プレス
して製作した成形体を、二珪化モリブデン質発熱体の電
気炉中で１５００℃まで１５０　℃／ｈｒの速さで昇温
し、４時間保持した後、自然放冷により焼結体を得た。

これらの焼結体の密度。

気孔率１曲げ強さ、結晶相及び熱膨張特性を測定した。

第２表から明らかなように、酸化イツトリウムの比率す
なわち、チタン酸イツトリウムの比率が高くなると、熱
膨張率が大きくなることが確認された。

以上の実施例から、チタン酸アルミニウム−チタン酸マ
グネシウム固溶体とチタン酸イツトリウムとが適正な比
率からなる焼結体は、低熱膨張特性を示し、耐熱性が高
い特性を有することが確認された。

第３実施例 第３表に示す組成の焼結体を二珪化モリブデン質発熱体
の電気炉中で１５００℃で４時間保持することにより得
た。これらを二珪化モリブデン質発熱体の電気炉中で昇
温速度５００℃／　ｈ　ｒで１１００℃まで昇温し、そ
の温度で１００時間保持した後、自然放冷により熱処理
した焼結体を得た。熱処理した焼結体の見掛密度、気孔
率、結晶相、熱膨張特性を測定した結果を第３表に示し
た。

第１表　固溶体比率の影響確認 第２表　酸化イツトリウム比率の影響確認京ｌ：試料ｋ
ｌ〜３は本発明例、４は比較例を示す１２　＋　ＡＴ−
ＭＴ２＝チタン酸アル酸二ルミニウム−チタン酸マグネ
シウム 固溶体＝チタン酸イツトリウム 本３：室温から１０００℃の間での線膨張率本１：試料
Ｎｔ１５〜７は本発明例、８は比較例を示すＹＴ２＝チ
タン酸イツトリウム 本３：室温から１０００℃の間での線膨張率第３表 熱処理後の焼結体品質確認 第１図は、第３表１本発明に係る試料Ｎα１１の微細組
織を示すための研磨面顕微鏡写真（倍率５６０倍）であ
る。粒径２０μｍ前後のチタン酸アルミニウム−チタン
酸マグネシウム固溶体結晶とそれらの粒内及び粒界に分
布して−いる粒径５〜１０μｍのチタン酸イツトリウム
結晶粒とからなっている。

第２図は本発明に係る同じ（第３表、試料ＮαＩＸを１
１００℃×１００時間熱処理した後の微細組織を示すた
めの研磨面顕微鏡写真（倍率２８０倍）である。

第３図は比較例として調製した高温安定性に欠ける低熱
膨張性セラミックス（第３表、試料Ｎｏ、　１０　）を
１１００℃ｘ　ｉｏｏ時間熱処理した後の微細組織を示
すための研磨面顕微鏡写真（倍率２８０倍）　である。

分解によって柱状の結晶（コランダムとルチル）が生成
している。

このように、本発明によるセラミックスは、熱処理によ
って結晶相が変化しておらず、低熱膨張性を保持してい
る。しかしながら、比較例の焼結体は熱処理によって完
全に分解し、コランダム。

ルチル、スピネルが生成し低熱膨張性が消失しているこ
とが確認された。

〔発明の効果〕

本発明による低熱膨張性セラミックスは、耐熱性、耐熱
衝撃性としての特性を充分に備えており、かつ高温安定
性に優れていることがら、アルミニウム、亜鉛、鉛、銅
、鉄等の溶融金属に接触する産業部材である坩堝、樋、
バイブ等、各種エンジン、タービン用の部材であるノズ
ル、ローターシリンダーライナー等に広く適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明のセラミックスの微細組
織を示すための研磨面顕微鏡写真である。 第３図は比較例として製造された高温安定性に欠ける低
熱膨張性セラミックスの組織の研磨面顕微鏡写真を示す
。 特許出願人　黒崎窯業株式会社（ほか１名）代　理　人
　小　堀　　益　　（ほか２名）手 続 補 正 書 （方式） 事件の表示 平成１年 特 許 願 第８２３８８号 ２゜ 発明の名称 低熱膨張性セラミックス ３゜ 補正をする者 事件との関係

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．結晶相がチタン酸アルミニウム−チタン酸マグネシ
   ウム固溶体とチタン酸イットリウムとからなり、化学組
   成がＡｌ＿２Ｏ＿３３５．０〜５０．０重量％、ＴｉＯ
   ＿２４５．０〜５５．０重量％、ＭｇＯ２．０〜６．０
   重量％及びＹ＿２Ｏ＿３１．８〜５．０重量％を含有し
   てなり、１０００℃における熱膨張率が０．２％以下で
   あって高温での安定性に優れた低熱膨張性セラミックス
   。