JPH0283253A

JPH0283253A - 鋳ぐるみ用セラミック材料の製造方法

Info

Publication number: JPH0283253A
Application number: JP63233391A
Authority: JP
Inventors: Kaname Fukao; 要深尾; Setsu Harada; 節原田; Toshiyuki Hamanaka; 俊行浜中
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1988-09-20
Publication date: 1990-03-23
Also published as: EP0360564A2; EP0360564A3; DE68911813D1; DE68911813T2; EP0360564B1

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排気
ポート内面をライニングするために用いられる鋳ぐるみ
用セラミック材料の製造方法に関するものである。

（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
ートの内面をセラミック製のポート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。一般にセラミックボ
ートライナーの装着についてはエンジンのシリンダーヘ
ッドを製造する際に、セラミック製のポートライナーを
アルミニウム等の金属によって同時に鋳ぐるむ方法が取
られているが、溶融金属の固化時の収縮により大きな圧
縮応力が加わるため、高強度セラミックス材料でも鋳ぐ
るみ時に部分的に応力が集中するとセラミックが破壊し
てしまう問題があった。

（発明が解決しようとする課題）一方、これまでに金属鋳ぐるみに適用する中空管状のセ
ラミック材料として、特公昭４６−２６３３０号、特公
昭５１−１６１６８号、特公昭６０−５５４４号、特公
昭５６−７９９６号公報等に示されるものが提案されて
いる。

特公昭４６−２６３３０号の発明は、高強度のアルミナ
質や炭化珪素質よりなるセラミック表面を多孔質として
金属冷却時の収縮に合致させようとするものであるが、
このような複合材は潜在的に微細な亀裂を有する降伏状
態にあるので、エンジンのような激しい振動を伴う部分
に使用すると亀裂が進行し、耐久性が著しく劣化するお
それがある。

特公昭５１−１６１６８号の発明は、低弾性率を目標に
した断熱鋳物の製造法に関するものであるが、材質的に
は耐火物骨材とアルミナセメントよりなる可撓性のセラ
ミック半製品であり、弾性率は最小のものでも９５０　
ｋｇ　／　ｍｍ　”であってやはり鋳ぐるみ時の圧縮応
力により破壊するおそれのあるものである。

特公昭６０−５５４４号の発明は、チタン酸アルミニウ
ムにカオリン、ケイ酸マグネシウムを添加し、低熱膨張
性（熱シヨツク安定性）と高強度を目的としたものであ
る。しかし弾性率の最小値は８×１０’　Ｎ／ｍｍ”で
あり、鋳ぐるみ時の圧縮応力による破壊を完全に防止す
ることはできない。

特公昭５６−７９９６号の発明は、チタン酸アルミニウ
ムに対してＳｉＯ□、ＺｒＯ□の添加により低熱膨張、
高強度の特性を与えたもので、これらの添加物によって
チタン酸アルミニウムの結晶粒子の成長を抑制している
。しかしこの発明にも前記した各公知発明と同様の欠点
がある。

更に以上の公知側以外にもセラミックの外周をセラミッ
クファイバー等でコートし金属による圧縮応力を緩和さ
せる試みも数多くなされているが、外周にコートするた
めの工数増がらコストアップとなり、またセラミックフ
ァイバーの弾性が失われると、セラミック材料が抜は落
ちる等の重大な問題点があった。

本発明は上記したような従来の課題を解決して、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ックを発生するおそれのな
い鋳ぐるみ用セラミック材料の製造方法を提供しようと
するものである。

（課題を解決するための手段）本発明の鋳くるみ用セラミック材料の製造方法は、Ａｌ
２Ｏ３’６Ｍ原料として、Ａ１□０３成分が９６重量％
以下で、平均粒径が３μｍ以上の原料と、ＴｉＯ□源原
料として平均粒径が３μｍ以下の原料を混合した所定組
成の粉体を成形し、焼成することを特徴とするものであ
る。

（作　用）従来の研究は結晶粒を微細化すること等により強度の増
加を図る方向を目ざして進められているが、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、強度の
向上よりもヤング率の低下により、ポートライナーにゴ
ムのような弾性を持たせることによって金属による鋳ぐ
るみ時のクランク発生を防止できることを見出した。

本発明はこのような知見に基いて完成されたものであっ
て、粗粒のＡ１□０３源原料と微粒のＴｉＯ□源原料を
使用することにより、上記材料として好適な結晶相とし
てチタン酸アルミニウムを６５％以上含存し、その結晶
の平均粒径が１０μｍ以上であり、ヤング率を５０〜２
０００ｋｇｆ　／鵬２、圧縮強度を５〜４０ｋｇｆ　７
ｍｍ”　、気孔率を５〜３５％とした鋳ぐるみ用セラミ
ック材料を得ることができる。

（実施例）本発明のセラミック材料を製造するには、まずアルミナ
、ローソーダアルミナ、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、電融シリカ等から、化
学組成が重量％でＡｌｚ０３４０〜６５％、ＴｉＯ□３
０〜６０％であり、Ｓｉｎｇ、ＭｇＯ、Ｆｔ４０３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、＾１ｚＯＪＸ原料としてＡ１□０３成分が９
６重量％以下で平均粒径が３μｍ以上の原料と、ＴｉＯ
□源原料として平均粒径が３μｍ以下の原料を混合する
必要がある。

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、ポ
ット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
し込み法にって円筒形又はボ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、その他の
結晶相としてルチル、コランダム、ムライトの少なくと
も一種を含む耐熱性と耐熱衝撃性及び断熱性に優れたチ
タン酸アルミウム焼結体が得られるのであるが、本発明
においては、この焼成の際の条件を例えば１４５０〜１
６５０°Ｃ１好ましくは１５００〜１６００°Ｃで１〜
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。チタン酸アルミニウム
結晶の各軸方向の熱膨張率は、ａ、ｂ軸が正、Ｃ軸が負
であり、かつその差が非常に大きいため焼結体冷却時に
結晶粒界や結晶それ自体が、各軸方向の膨張収縮差に耐
えきれず、結晶粒間や結晶粒内に多数のマイクロクラッ
クを生ずることとなる。チタン酸アルミニウム結晶の粒
子を１０μｍ以上に成長させるとマイクロクランクの頻
度、大きさが著しいヤング率低下に対応することが判明
した。従ってこのような結晶粒成長の結果、結晶粒間及
び結晶粒内に極めて多数のマイクロクラックが生ずるこ
ととなり、外力によってこれらのマイクロクラックの内
部空間が接近したり離間する性質を持つため、得られた
セラミック材料にヤング率が５０〜２０００ｋｇ　ｆ　
／　ｍｍ”　、圧縮強度５〜４０ｋｇｆ／ｍｍ２　　気
孔率５〜３５％の物性値を持たせることができる。この
ような低ヤング率のセラミック材料は鋳ぐるんだ金属材
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
、特に従来の高強度高ヤング率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ボ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バルブエンジン用のシリ
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ボートラ
イナー３にも好適である。またこの焼結体中のマイクロ
クラッ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。

チタン酸アルミニウムは１７００°Ｃ以上の融点を有す
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。

なお、Ａｌｚ０３源原料およびＴｉＯ□源原料に対する
限定理由は以下の通りである。

Ａｌ２Ｏ３源原料の純度が９６％より高く、平均粒子径
が３μｍ以上の場合、Ａｌ２Ｏ３源原料の反応性が低い
ため未反応残留物が多（、ヤング率が２０００ｋｇｆ／
ｍｍ”より高くなり、アルミ鋳ぐるみによるクラックの
恐れがある。また、ＡｈＣｈ源原料の平均粒子径が３μ
ｍより小さい場合、ＡｌｚＯｉ源原料の練原料かかわら
ずチタン酸アルミニウムの平均粒径が１０μｍ以下とな
り、ヤング率が２０００ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ”を越えて
しまう。さらに、Ａｌ２Ｏ３源原料中に含まれる不純物
が重量％でＳｉ０□２０％、ＦｅｚＯ３２０％あるいは
Ｓｉｎｇ、ＦｅｚＯ＝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１０ａｍ以上とならない場合がある。以上より、Ａ１
□０３源原料は、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、好ましくは不純物量は
Ｓｉｎｇ　０〜２０％、Ｆｅ２０３０〜２０％、あるい
はＳｉＯ□、Ｆｅ２０１の総計で０〜２０％であると好
ましい。

さらに、ＴｉＯ□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り、ヤング率が２０００ｋｇ
　ｆ　／　ｒｍｎ　”を越え、アルミ鋳ぐるみによるク
ランクの恐れがある。したがって、ＴｉＯ２源原料は、
平均粒径が３μｍ以下でなければならない。

以下、実際の例について説明する。

裏旌炭以下の第１表及び第２表に示されるＡｈａ、源原料およ
びＴｉＯ□源原料を主原料として、第３表に示される試
験Ｎα１〜Ｎｏ、４８の組成となるように原料を調合し
、鋳型に流し込んで肉厚３　ｍｍ、長径６４薗、短径３
６ｍｍの楕円筒形状のテストピースを作成した、各テス
トピースを第３表中に記した条件で焼成し、得られたセ
ラミック材料の各種特性を測定した。

次に各テストピース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胴の金属セラミ
ン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確認した結果を第３表
中最下段に示す。

このように、本発明の実施例で得られたセラミック材料
は、鋳ぐるみによるクラックの発生が全く認められなか
った。

（発明の効果）以上の説明からも明らかなように、本発明の鋳ぐるみ用
セラミック材料の製造方法によれば所定の粗粒のＡｈ（
ｈ源原料と微粒のＴｉＯ□源原料を使用することにより
、金属錫ぐるみに好適な材料、すなわち、結晶相として
チタン酸アルミニウムを６５％以上含有し、その結晶の
平均粒径が１０μｍ以上であり、ヤング率を５０〜２０
００ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ”　、圧縮強度を５〜４０ｋｇ
　ｆ　／　ｍｍ”　、気孔率を５〜３５％とした材料を
好適に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は４バルブ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ポートライナー
の断面図である。手

Claims

【特許請求の範囲】

１．Ａｌ＿２Ｏ＿３源原料として、Ａｌ＿２Ｏ＿３成分
が９６重量％以下で、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以下の原料を
混合した所定組成の粉体を成形し、焼成することを特徴
とする鋳ぐるみ用セラミック材料の製造方法。