JPH02293374A - ムライト質焼結体 - 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、ラジアントチューブ、炉床部材等に使用され
るムライト質焼結体に関する。

〔従来の技術〕

炉内部品、例えば間接加熱炉のラジアントチューブ、炉
内の被加熱鋼材担持部材（スキッド等）は、炉内高温雰
囲気において十分な強度を有していること、その酸化雰
囲気（大気）との接触、および酸化鉄（スケール）との
接触による変質・劣化を生じ難いこと（耐酸化性、耐ス
ケール性）等が要求される。

近時、これらの炉内部品の耐久性改善と操炉効率の向上
等を目的として、従来の耐熱合金に代え、セラミック、
代表的には炭化けい素（ＳｉＣ）やムライト（３Ａｌ２
０ｚ・２ＳｉＯｚ）の実用化が試みられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

炭化けい素焼結体は、すぐれた高温強度（曲げ強度σ１
；約３５ｋｇｆ／一以上、ａｔｌ，３００゜Ｃ）を有し
てはいるが、耐酸化性や耐スケール性の点で十分とは言
えず、炉内部品の要求特性の高度化（特に使用温度の上
昇に伴うスケール反応抵抗性の改善要請等）に十分応え
得るものとは言い難い。

他方、ムライト焼結体は、耐酸化性に問題はなく、かつ
耐スケール性も比較的良好であるが、反面高温強度が低
いため、高温構造材としての安定な使用を保証し難い。

ムライト焼結体の高温強度が低いのは、周知のように、
その焼結体内の結晶粒界に、焼結原料粉末の不純分（Ｍ
ｇＯ，ＣａＯ，Ｋ＝Ｏ，ＮａｚＯ等）に由来する比較的
多量のガラス相が生成存在することによる。近時ムライ
ト合成技術の進歩により、例えばゾルーゲル法、水熱合
成法等による高度に精製されたムライトの工業生産が行
われるようになり、その高純度ムライト粉末を原料とし
て製造されたガラス相の少ない焼結体の高温特性につい
ての報告もなされている。

本発明は、炉内部品の要求特性の高度化に鑑み、高純度
ムライト粉末を原料とする焼結体の材料特性の改良、特
に炭化けい素セラミックと同等以上の常温および高温強
度と、従来のムライト焼結体を大きく凌ぐ耐スケール性
等を具備させるべくなされたものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明のムラ
イト質焼結体は、 ムライトと酸化クロムとからなり、酸化クロム含有量は
２〜２５重量％、不純分は１重景％以下であることを特
徴としている。

また、本発明のムライト質焼結体は、所望により、２〜
２５重量％の酸化クロムと共に、１０重量％以下の酸化
アルミニウムを含有し、不純分は１重量％以下である化
学組成が与えられる。

本発明の焼結体は上記のように、ムライトに２〜２５重
量％の酸化クロム、またはその酸化クロムと共に１０重
量％以下の酸化アルミニウムを含有する化学組成を有し
ている。酸化クロムは、ムライト焼結体の常温および高
温域における強度の向上、並びに高温でのスケール反応
に対する抵抗性の改善に奏効する。その含有量の下限を
２重量％とじたのは、それ未満の量では上記効果が不足
するからであり、より好ましくは５重量％以上である。

他方、２５重量％を上限としたのは、その増量と共に焼
結性の低下傾向を生じ、結果として焼結体の緻密性の低
下とそれに伴う常温・高温強度の低下を招き、また耐ス
ケール性の減少を生じるからである．好ましくは、１８
重量％を上限とする。

酸化アルミニウムは、上記酸化クロムとの複合添加によ
り、焼結体の常温・高温強度を高める。

しかし、多量の添加は焼結体の耐スケール性を悪くする
原因となる。このため、１０重景％以下とする。より好
ましい含有量は２〜７重量％である。

本発明の焼結体の不純分混在許容量を１重量％以下とし
たのは、焼結体内のガラス相の生成とそれに起因する強
度低下を抑制するためである。より好ましくは０．５重
量％以下である。

本発明のムライト質焼結体は、ムライト相からなる単相
組織、またはムライト相を主相とし、これに酸化クロム
相や酸化アルミニウム相の混在する組織を有している。

すなわち、ムライトと酸化クロムとからなる焼結体では
、酸化クロム量が前記範囲内の比較的低い量である場合
、その全量がムライトに固溶した固溶体ムライトの単相
を呈し、酸化クロムの増量と共にその固溶体ムライト相
を主相として酸化クロム相が混在する結晶相となる．酸
化クロムと酸化アルミニウムとを複合含有する焼結体の
場合もこれと同じように、それらの含有量が比較的低い
範囲では、固溶体ムライト単相の組織を呈し、その増量
に伴って固溶体ムライト相と酸化クロム相や酸化アルミ
ニウム相とが混在した組織となる。その混和組織におけ
る酸化クロム相や酸化アルミニウム相の占める割合はむ
ろんそれらの成分の含有量や焼結条件によって異なるが
、酸化クロム量の上限を２５重量％、酸化アルミニウム
のそれをＩＯ重量％と規定した本発明ムライト質焼結体
についてのＸ線回折によれば、酸化クロム相の生成量は
最大で約１５％（面積）であり、酸化アルミニウム相の
それは約５％（面積）であることがそのピーク強度から
同定される。

上記ムライト相を主相とする焼結体組織における酸化ク
ロム相、酸化アルミニウム相の混在は、その組織内への
歪みの導入とそれに因る焼結体の強度・硬さの向上をも
たらす。

なお、本発明のムライト質焼結体は、その用途に応じた
材料特性の強化ないしは付加を目的として、上記酸化ク
ロム、酸化アルミニウムのほか、第３添加成分として、
例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯｚ）、酸化イットリウ
ム（　Ｙ　ｚ　Ｏ　：＋）、酸化チタン（ＴｉＯｚ）、
希土類酸化物（Ｌａ！０３，ＣｅＯ等）の１種または２
種以上の成分を０．１〜ｌＯ重量％（２種以上の場合は
その合計量）を添加することができ、その添加によって
本発明の趣旨が損なわれることはい。

本発明のムライｔ−Ｘ焼結体は、ムライト粉末に酸化ク
ロム粉末、またはその酸化クロム粉末と共に酸化アルミ
ニウム粉末を添加した混合粉末を混゜練し所要形状に成
形して焼結処理することにより製造される。その焼結原
料粉末は、焼結体の不純分の規定（１重量％以下）を満
たす高純度の粉末であることを要する。その主原料粉末
であるムライト粉末は市販品として入手される高純度ム
ライト粉末（純度：　９９．５％以上）を好適に使用す
ることができる。なお、そのムライト粉末は、焼結性の
点から、平均粒径約１μｍ以下の微細粉末であることが
好ましい。

焼結原料粉末混練物の調製においては、常法に従って、
その混練物の成形・焼結のプロセスに応じて要求される
適宜の添加剤、例えば成形助剤（ポリビニルアルコール
水溶液等）が適量混和される。また、その混練物は、所
望によりスプレードライヤ等による造粒処理により適当
な粒径（例えば平均粒径１００μｍ）の造粒粉に造粒さ
れる。

上記混練物は、適宜の圧粉成形法、例えばラバープレス
等による圧粉成形（加圧力：例えば５００〜１，５００
ｋｇｆ／ｃｉｉ）により所要形状に成形されたうえ、常
圧焼結処理に付される。その焼結処理は、温度約１　，
　５５０〜１　，　７５０℃に適当時間（例えば、約２
〜４時間）保持することにより達成される。むろん、原
料粉末混練物の成形・焼結プロセスは上記に限定されず
、所望により、ホットプレス法、熱間静水圧加圧焼結法
等を適用することもできる。

本発明のムライト質焼結体は、強度、硬さ、耐スケール
性等の点から、相対密度約９５％以上の緻密性を有する
ことが好ましい．この緻密賞は、原料粉末の粒度調整と
上記成形・焼結条件により容易に達成することができる
。

〔実施例〕

高純度ムライトと、酸化クロム、酸化アルミニウム等か
らなる混合粉末の混練物に成形助剤としてポリビニルア
ルコール水溶液の適量を加えてスプし・−ドライヤによ
り造粒粉（平均粒径：約１００μｍ）とした．これを一
軸プレス（加圧力：　　１００ｋｇ　ｆ　／　ｃｉ　）
に付し、ついでラバープレス（加圧力＝１０００ｋｇｆ
　／　ｃｕｔ）に付して円盤状成形体を成形し、乾燥後
常圧焼結処理（　１　，　６５０゜ＣＸ３時間）を施し
て円盤形状の供試焼結品Ｎα１〜５およびＮ（Ｌ　Ｌ１
〜１４（いずれも、Φ４５ｘ　５　ｔ，ａｍ）を得た。

第１表左欄に各供試材の化学組成を示す。なお、使用し
たムライト粉末は純度９９．８％（平均粒径：ｌａｍ）
、酸化クロムおよび酸化アルミニウムの純度は、それぞ
れ９８％および９９．５％であり、各供試材の不純分は
いずれも１重量％以下である。

各供試材について強度（ＪＩＳａ点曲げ法）、硬度（Ｈ
ν）、相対密度（％）の測定、並びに耐スケール性試験
を行い第１表右欄に示す結果を得た。

なお、耐スケール性試験は、供試材から切り出した短冊
状試験片（４　Ｘ　３　Ｘ４０，閣）を酸化鉄（Ｆｅｔ
ｅ．）微粉末内に埋め込み、１．３００’Ｃに２００時
間保持することにより行い、試験後、各試験片内への酸
化鉄の浸食状況をＸ線マイクロアナライザにより観察す
ると共にその浸食深さを測定した。「耐スケール性」欄
の数値はその浸食深さ（ａ＋）を示している。

第１表におけるｋｌ〜５は発明例、Ｎα１１〜１４は比
較例である．比較例Ｎα１ｌ〜１４のうち、Ｎα１工は
高純度ムライト粉末単味（酸化クロムおよび酸化アルミ
ニウムのいずれも含まない）の焼結体、Ｎα１２は酸化
クロムの添加を省略し、酸化アルミニウムのみ添加した
例、Ｎｎｌ３は酸化クロムを含有しているが、その量が
本発明の上限規定を超えている例、随１４は酸化クロム
と酸化アルミニウムの複合添加における酸化アルミニウ
ム量が本発明の上限規定を超えている例である。

第１表に示したように、高純度ムライト単味の焼結体（
Ｎα１１）に比し、本発明に従って適量の酸化クロムま
たはその酸化クロムと共に酸化アルミニウムが添加され
た阻１〜５は、常温および高温での強度、硬さにすぐれ
ている。その強度レベルは、高温構造材として賞用され
ている炭化けい素セラミックの強度と同等ないしそれ以
上である。

また酸化鉄の浸食量についても、高純度ムライト焼結体
（Ｎａｉｌ）のそれより大幅に減少し、極めて良好な耐
スケール性を備えていることがわかる。

他方、比較例ｋｌ２　（酸化アルミニウム単独添加）は
、ムライト単味の焼結体（Ｎａｉｌ）よりやや高い強度
を示しているが、発明例（Ｎｌｌｌ〜５）の強度レベル
には及ばず、その耐スケール性もムライト単味の焼結体
（Ｎｌｌｌｌ）のそれと同程度のレベルにとどまってい
る。また、過剰の酸化クロムを含むｋｌ３の強度および
耐スケール性が大きく低下しているのは、酸化クロムの
過剰添加に伴う焼結性の不足により、構成粒子の結合・
緻密化が十分に進まなかったことによると考えられる（
その硬度測定において表面の凹痕輪郭部に部分的圧潰が
生じた）。なお、阻１４（酸化クロムと酸化アルミニウ
ム添加）では、酸化アルミニウム量が上限を超えている
ため、酸化クロムが適量添加されているに拘らず耐スケ
ール性改善効果はなく、酸化鉄浸食量は増加している。

〔発明の効果〕

本発明のムライ｝！焼結体は、常温および高温での強度
レベルが高く、かつ高温域でのスケール反応抵抗性にす
ぐれておりスケールとの接触による変質・劣化を生じ難
い。また、酸化物系セラミックであるので、高温酸化性
雰囲気においても安定であり、炭化けい素焼結体等のよ
うな酸化による材質変化を生じることもない。

従って、例えばラジアントチューブ、炉心管、スキッド
レール、あるいはセッター・等の耐熱炉材部品、その他
の高温構造材として有用であり、その耐久性の向上、メ
ンテナンスの軽減等に大きな効果が得られる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．ムライトと酸化クロムとからなり、酸化クロム含有
   量２〜２５重量％、不純分は１重量％以下であることを
   特徴とする高温特性にすぐれたムライト質焼結体。
2. ２．ムライトと酸化クロムと酸化アルミニウムとからな
   り、酸化クロム含有量２〜２５重量％、酸化アルミニウ
   ム含有量１０重量％以下、不純分は、１重量％以下であ
   ることを特徴とする高温特性にすぐれたムライト質焼結
   体。