JPH05146848A - ムライト/窒化硼素複合ブレークリング - Google Patents

ムライト/窒化硼素複合ブレークリング

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JPH05146848A
JPH05146848A JP4135693A JP13569392A JPH05146848A JP H05146848 A JPH05146848 A JP H05146848A JP 4135693 A JP4135693 A JP 4135693A JP 13569392 A JP13569392 A JP 13569392A JP H05146848 A JPH05146848 A JP H05146848A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温環境において良好な侵食/腐食耐性を具
備するセラミック、特に水平連続鋳造におけるブレーク
リングとして適当なセラミックの開発。 【構成】 重量で40〜70%の粒状ムライトと30〜
60%の粒状窒化硼素の混合物をを型内で不活性雰囲気
中で1625〜1770℃範囲の温度及び126〜18
9kg/cm2の圧力において複合体が収縮を停止するまで加
熱及び圧縮する。40〜70%ムライトと30〜60%
窒化硼素とから成るセラミック複合体は高い耐摩耗性、
高い耐熱衝撃性及び良好な高温強度を具備し、加熱環境
下で一層長い使用寿命を提供する。図2に示すように、
1500℃まで直線的に膨張しそして20℃に冷却され
るとき元の有効長さに戻るので%永久膨張はゼロであ
る。ブレークリングに特に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ムライトと窒化硼素と
をブレンドしそして後ブレンドをホットプレスすること
から成る、溶融金属及び合金に対する優れた侵食及び腐
食耐性更には熱衝撃に対する良好な耐性を有するセラミ
ック複合体を製造する方法並びにその好適な用途として
当該セラミック複合体製のブレークリングに関する。
【0002】
【従来の技術】セラミック材料は、水平連続鋳造プロセ
スにおけるブレークリングのような様々の用途で現在或
る程度満足して使用されている。水平連続鋳造プロセス
は、急速な温度上昇、苛酷な温度勾配等の厳しい環境条
件と関与する。一般に、この種の用途での使用のための
ブレークリングは、極めて急速な温度上昇そしてしばし
ば1000℃/cmを超える高い温度勾配の下に置かれ
る。これら条件は、破損を防止するために良好な熱衝撃
耐性を有する材料を必要とする。追加的に、この種の用
途においては、材料は好ましくは、溶融金属に対して高
い耐摩耗性及び耐食性を具備すべきであり、機械加工出
来ねばならずそして安価に製造出来ねばならない。
【0003】窒化硼素(BN)が、その良好な熱衝撃耐
性、耐食性、高温での安定性及び機械加工性により、ブ
レークリング用材料として現在使用されて一応の成功を
納めている。しかし、窒化硼素は耐摩耗性に不足し、従
って流動する溶融金属に曝露されるとき高い摩耗速度を
示す。追加的に、窒化硼素セラミックは代表的に、溶融
金属と化学的に反応する可能性があるB23 バインダ
相を含んでおり、これが窒化硼素セラミックの構造保全
性(一体性)を劣化する。窒化硼素の劣化はまた金属が
鋳造されている場合重大な問題を引き起こしうる。それ
は、窒化硼素粒子並びに気体状B23 或いはB23
と炭素との反応から生じるCO2 から形成される気泡が
溶融金属が凝固するとき金属中に捕捉されやすいことで
ある。
【0004】アルミナ(Al23 )もまたその硬度、
耐摩耗性及び化学的安定性により溶融金属用途において
使用されている。アルミナセラミックは、満足しうるも
のであるけれども、熱衝撃性に乏しいことが多くまたそ
の硬度により機械加工困難である。
【0005】従って、窒化硼素及びアルミナを使用する
複合セラミック部品が使用され、この場合材料はアルミ
ナの耐摩耗性と化学的安定性及び窒化硼素の熱衝撃耐性
と機械加工性とを兼備する。
【0006】米国特許第4,007,049号は、熱破
壊による破損に対して高度の耐性を有しそして耐火性酸
化物とフレーク状窒化硼素との複合体から成る耐熱衝撃
性材料を開示する。窒化硼素フレークは、耐火性酸化物
マトリックス中に熱衝撃に対する耐性を増大した酸化物
複合体を提供するに充分な比率において不活性な、非反
応性の一様な分散相として組み込まれる。
【0007】英国特許第784,704号は、窒化硼素
とムライトのような耐火酸化物から成る物品を開示し、
ここでは好ましい組成物は30重量%までの窒化硼素を
含有するのみである。
【0008】S. G. Tresvyatskii等による論文「アルミ
ノシリケート耐火材の幾つかの性質に及ぼす窒化硼素の
影響」−Institute for Materials Science Research,
Academy of Science of the Ukrainian Science SSR ,
No. 4, pp. 36-39, April 1968−は、アルミノシリケー
ト耐火材の熱衝撃耐性が窒化硼素の添加にともない増加
しうることを開示する。
【0009】Lewis 等による論文「アルミナ−及びムラ
イト−窒化硼素 粒状セラミック−セラミック複合体」
−Ceram. Eng. Sci. Proc. ,2:719-727(Nos. 7-8, 198
1) はAl23 −BN並びにムライト−BN複合体の
調製を開示しそしてそうした複合体の熱衝撃耐性につい
てのデータを提供する。
【0010】しかし、これら文献に開示される材料は上
述した溶融金属と関連しての高温用途、特にブレークリ
ング用途での使用において性能不足である。
【0011】米国特許第4,904,623号は、溶融
金属に対する良好な侵食及び腐食への耐性と熱衝撃への
良好な耐性とを有するものとして記載される溶製ジルコ
ニアムライトと窒化硼素とから成るセラミック複合体を
開示する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この溶製ジル
コニアムライトと窒化硼素とから成るセラミック複合体
は、1100℃に至るまで膨張しそして後ジルコニアム
ライトの収縮相変態を生じることが見出された。幾つか
の用途においては、この現象は、加熱中複合体に賦課さ
れる応力によるクラッキング発生につながる。
【0013】本発明の課題は、高温環境において良好な
侵食/腐食耐性を具備するセラミック材料を開発するこ
とにより高温での収縮に対し有効に対処することであ
る。
【0014】本発明のまた別の課題は、水平連続鋳造に
おけるブレークリングとして使用のために適当なセラミ
ック複合体を開発することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明者は、40〜70
重量%の粒状ムライトと30〜60重量%の粒状窒化硼
素から成る混合物をホットプレスしたセラミック複合体
が高温環境において良好な侵食/腐食耐性、熱衝撃に対
する良好な耐性そして実質上直線的な熱膨張係数を有す
ることを見出した。
【0016】この知見に基づいて、本発明は、水平連続
鋳造において使用されるセラミック複合体から成るブレ
ークリングであって、全体重量にもとづいて40〜70
重量%ムライトと30〜60重量%窒化硼素とから成る
ブレークリングを提供する。
【0017】本発明のまた別の様相は、 a)40〜70重量%の粒状ムライトと30〜60重量
%の粒状窒化硼素から成る混合物をブレンドする段階
と、 b)ブレンドした混合物を型内で不活性雰囲気中で約1
625〜1770℃、好ましくは1675〜1770℃
の範囲の温度及び約126〜189kg/cm2(1800〜
2700psi)の圧力において複合体が収縮を停止す
るまでの期間加熱及び圧縮する段階と、 c)複合体を冷却する段階とを包含するホットプレスセ
ラミック複合体を製造するための方法にある。
【0018】ここで使用するものとしての「不活性雰囲
気」とは、真空或いはアルゴン、窒素等のような不活性
気体から成る雰囲気である。
【0019】
【作用】ムライト(3Al2O3・2SiO2)は、シルリマナイト
(sillimanite;ケイ線石)にアルミナの固溶した、斜方
晶系の均質な固溶体でありそしてアンダルサイト(anda
lusite;紅柱石)、シルリマナイト或いはカイヤナイト
(kyanite )を加熱することにより調製されうる。凝固
体を粉砕して粒状形態のムライトを生成することが出来
る。
【0020】本発明においては、セラミック複合体にお
けるムライトと窒化硼素の組成は、40〜70重量%ム
ライトと30〜60重量%窒化硼素、好ましくは50〜
65重量%ムライトと35〜50重量%窒化硼素の範囲
とされ、そしてより好ましくはほぼ50重量%ムライト
とほぼ50重量%窒化硼素から成るものとされる。ムラ
イトの量が70%を超えると、複合体は非常に脆くな
り、他方一般には40重量%、特には30%未満のムラ
イト量では複合体の侵食/腐食耐性を有効に改善しな
い。
【0021】幾つかの用途においては、窒化硼素の純度
を99重量%以上、一層好ましくは99.5重量%以上
とすることが好ましい場合がある。純度は主に、処理温
度で液体を形成する或いは反応して液体を形成する不純
物が存在しないことを言及する。例えば、窒化硼素中の
酸化硼素不純物は、ホットプレス後、処理中にガラス質
粒界相を形成し、溶融合金中で苛酷に侵食/腐食を受け
るセラミック複合体をもたらす恐れがある。液体を形成
しない不純物なら、セラミック複合体の全体的特性に影
響することなくもっと多くの量で存在しても差しつかえ
ない。
【0022】また別の用途においては、97重量%窒化
硼素材料が本発明の良好なセラミック複合体を製造する
のに使用されうる。従って、出発物質における窒化硼素
の酸素含有量は3重量%に至るまで乃至それ以上とされ
る。プロセス温度は、窒化硼素中の酸素含有量に依存す
るので、2重量%以上の酸素を含有する窒化硼素に対し
ては約1730℃±40℃(1690〜1770℃)、
好ましくは約1740℃の高めの温度が使用され、他方
2重量%未満の酸素を含有する窒化硼素に対しては約1
675〜1730℃、好ましくは約1725℃の低めの
温度が使用されうる。
【0023】好ましくは、粒状ムライトは、約0.1〜
75ミクロン、一層好ましくは約2〜45ミクロンの範
囲の寸法を有するものとすべきである。粒状窒化硼素
は、約0.1〜45ミクロン、好ましくは約1〜25ミ
クロンの範囲の寸法を有するものとすべきである。これ
ら粒状成分は、ダブルコーン型ブレンダー、ツインシェ
ル或いはV型ブレンダー、ドラムブレンダー等のような
従来型式のブレンダー或いはミキサーにおいて実質上均
質な混合物を形成するようにブレンドされねばならな
い。
【0024】ブレンドされた混合物はその後、約162
5〜1770℃、好ましくは約1675〜1730℃、
一層好ましくは約1710〜1725℃の範囲の温度及
び約126〜189kg/cm2(1800〜2700ps
i)の圧力、好ましくは147〜161kg/cm2(210
0〜2300psi)において加熱及び加圧される。好
ましくは、加熱及び加圧速度は、200〜400℃/時
間、一層好ましくは300〜350℃/時間そして21
〜42kg/cm2(300〜600psi)/時間、28〜
35kg/cm2(400〜500psi)/時間の速度とす
べきである。
【0025】選択される温度及び圧力は、セラミック複
合体を形成するに十分であり且つ混合物が溶融或いはグ
ラファイト型のような型材料と反応する温度未満とすべ
きである。ホットプレス段階はセラミック複合体が収縮
を有効に或いは実質上停止するまでの時間継続されるべ
きである。
【0026】圧縮が一方向ではない熱間静水圧プレスに
よる圧縮も使用でき、この場合生成される複合体は等方
性となる。圧縮及び加熱段階はブレンドされた混合物に
対して非酸化性雰囲気中で行われるべきである。適当な
非酸化性雰囲気は、真空或いはアルゴン、窒素等のよう
な不活性気体のような非酸化性気体の雰囲気中により提
供されうる。空気のような酸化性雰囲気においては、窒
化硼素が酸化してB23 相を形成し、これが加熱中液
体相となる。この不純物は溶融合金中で侵食/腐食に関
して劣化した複合体をもたらす。
【0027】セラミック複合体が有効に収縮を停止した
後、複合体は冷却されそしてその特定の用途向けの適正
な寸法形状に機械加工される。
【0028】従来からの一軸ホットプレス技術或いは静
水圧ホットプレス技術いずれを使用するにせよ、生成さ
れる複合体は任意の方向に機械加工されうる。好ましく
は、ブレークリング用途に対しては、ブレークリングは
その厚さ即ち巾がホットプレス段階中適用された圧力の
方向と平行であるように機械加工されるべきである。つ
まり、適用圧力の方向がリングの長手軸線に垂直な面に
平行となるようにすべきである。
【0029】本発明のセラミック複合体は水平連続鋳造
プロセスにおけるブレークリングとして使用するに理想
的に適合する。
【0030】
【実施例】本発明を例示する目的で実施例及び比較例を
呈示する。先行技術の例を示すのに使用した溶製ジルコ
ニアムライトは、英国のKeith Refractoriesから得られ
た商品名K-Ref Fused Zirconia Mullite 36 であった。
この溶製ジルコニアムライトは200タイラーメッシュ
(−75ミクロン)の粒寸を有しそして約62.8重量
%ムライト、約36.9重量%ジルコニアそして微量の
HfO2 並びに残部として微量の各種酸化物及び遊離鉄
から構成された。他方、本発明例において使用されたム
ライトは、同じ英国のKeith Refractoriesから得られた
商品名WhiteFused Mullite であった。このムライトは
200タイラーメッシュ(−75ミクロン)の粒寸を有
しそして約76重量%Al23 、約23.6重量%S
iO2そして微量のNa2 O/K2 O、Fe23 、C
aO、遊離鉄、TiO及びMgOから構成された。
【0031】すべての例で使用した窒化硼素はユニオン
カーバイド社から商品名UCC GradeHCP Boron Nitride
の下で販売されるものであった。この窒化硼素はB2
3 を0.5重量%未満まで減ずるために1900℃まで
加熱精製されそして0.5重量%未満の格子酸素(O2
として測定したものとして)しか含有しないものであっ
た。この窒化硼素は10〜15m2/gm の比表面積と9
4.5%が325タイラーメッシュ(−45ミクロン)
を通過するような粒寸とを有した。また、同じユニオン
カーバイド社製の商品名UCC Grade BN-5も使用し、これ
はB23 が3重量%水準と高くそして3.0重量%ま
での格子酸素(O2 として測定したものとして)を含有
した。
【0032】(例I)様々の量の窒化硼素と溶製ジルコ
ニアムライトを強化混練棒を装備するツインシェルV型
ブレンダーにおいて約2時間混合した。その後、ブレン
ドした材料を6.4cm(2.5インチ)内径、9.5
cm(3.75インチ)外径及び45.7cm(18イ
ンチ)長さの寸法を有する微粒グラファイト円筒状型に
予備プレスした。処理に際して複合体が型に粘着しない
ようにする予備注意対策として型をGrafoil (可撓性グ
ラファイトに対するユニオンカーバイド社の商標)の層
で内張りした。大半の用途に対して内張り層は必要でな
かった。
【0033】各型及び内容物を抵抗加熱式筒形炉に装入
しそして窒素雰囲気中で1700℃において液圧ラムに
より行使される154kg/cm2(2200psi)の圧力
の下で2時間加熱した。加熱及び加圧速度はそれぞれ、
330℃/hr及び35kg/cm2(500psi)/hrとし
た。各型を冷却せしめそして6.4cm(2.5イン
チ)のビレットを型から取り出した。
【0034】この従来例に従うビレットに対する熱膨張
係数を1500℃まで400℃/時間の速度でサンプル
ビレットを加熱しそして後ビレットを20℃まで冷却す
ることにより試験した。得られたデータを図1に示す。
図1は、温度対ΔL/LO ×10-4をプロットしたグラ
フであり、ΔL/LO は原長に比較しての長さの変化で
ある。
【0035】このグラフは、ビレットサンプルが110
0℃まで膨張しそして収縮段階を経た後再度膨張するこ
とを示している。この現象は、このセラミック材料から
作製されたブレークリングのような物品のクラック発生
につながる。何故なら、高温への加熱中物品に応力が付
与されるからである。加えて、冷却されるに際して、サ
ンプル長さは永久的に増加して新しい長さは0.335
%永久膨張を持つようになる。
【0036】同様の型式の6.4cm(2.5インチ)
のビレットを作製した。今度は、本発明に従い、出発組
成物を200gの窒化硼素と200gのムライトとし
た。加熱速度を同じとして154kg/cm2(2200ps
i)の圧力の下で1725℃の温度まで加熱した。この
ビレットに対する熱膨張曲線を上述したようにして試験
した。加熱試験から得られたデータを温度対ΔL/LO
×10-4のプロットである図2に示す。このグラフは、
本発明のビレットのサンプルが1500℃まで実質上直
線的に膨張しそして20℃冷却されるとき元の有効長さ
に戻るので%永久膨張はゼロであることを示す。
【0037】この例から得られた比較データは、本発明
のセラミック材料が収縮その他によるクラッキングを発
生することなく高温環境において使用されうることを明
らかに示している。
【0038】(例II)様々の量の窒化硼素とムライト
とを強化混練棒を装備するツインシェルV型ブレンダー
において約2時間混合した。ブレンドした材料をその後
5.1cm(2インチ)内径、9.5cm(3.75イ
ンチ)外径及び45.7cm(18インチ)長さの寸法
を有する微粒グラファイト円筒状型において予備プレス
した。処理に際して複合体が型に粘着しないように予備
注意対策として型をGrafoil (可撓性グラファイトに対
するユニオンカーバイド社の商標)の層で内張りした。
【0039】各型及び内容物を10cm(4インチ)直
径の抵抗加熱式筒形炉に装入しそして窒素雰囲気中で液
圧ラムにより154kg/cm2(2200psi)の圧力を
適用しながら様々の温度において2時間加熱した。加熱
及び加圧速度はそれぞれ330℃/hr及び35kg/cm
2(500psi)/hrとした。各型を冷却せしめそし
て後各型から5.1cm(2.0インチ)ビレットを取
り出した。生成した各サンプルビレットに対するブレン
ドの量、ブレンドの比率及び加熱段階の温度を表1に示
す。
【0040】各ビレットからプレス方向に平行にサンプ
ルバーを切り出しそして後理論密度%を各サンプルに対
して測定した。得られたデータを表1に示す。1.9c
m(0.75インチ)直径×7.6cm(3インチ)長
さ寸法の、各ビレットからのサンプルバーを1575℃
の温度にある溶融304ステンレス鋼中で60rpmで
4時間回転せしめた。各サンプルの直径の減少を単位時
間当りの減少%として測定し、得られたデータを表1に
示した。サンプルの直径の減少はサンプルの溶湯との共
存性である侵食/腐食耐性に対する目安である。
【0041】各ビレットからのサンプルバーを熱衝撃試
験に供した。熱衝撃試験は、1.9cm(0.75イン
チ)直径×7.6cm(3インチ)長さ寸法の室温のサ
ンプルバーを1575℃のステンレス鋼溶湯に浸漬しそ
して後大気急冷した。目視観察の結果を表1に示す。
【0042】表1に見られるように、ムライト及び窒化
硼素の50/50重量%複合体は良好な耐熱衝撃性と良
好な侵食/腐食耐性を具備している。
【0043】
【表1】
【0044】(例III)15.2cm(6インチ)直
径のビレットを表1のサンプルNo.3において作製し
たのと同じ材料から作製した。ビレットを検査しそして
それらの性質を測定した。即ち、サンプルバーの各々に
対して密度、室温での曲げ強さ、1500℃での曲げ強
さ、熱膨張係数(CTE)、ロックウエルR硬さ及び音
響モジュラス(sonic modulus )を測定した。
【0045】1500℃及び室温での曲げ強さはAST
MD−690の3点負荷方法を使用して測定した。各サ
ンプルバーに対する音響モジュラスはASTMC747
−74に開示される音波共鳴技術を使用して測定した。
【0046】CTEは、サンプルバーを支持ピン上に置
きそしてグラファイトチューブ型炉に長手方向に挿入す
ることにより測定した。照準の軸線間の距離を調整する
ことができるように取付けられた2つの平行な眼鏡照準
具を備える光学式伸び計を使用した。照準間の距離を測
定するのにキャリパを使用した。照準は炉内の覗き管を
通してサンプルバーの両端に合わせた。炉を不活性雰囲
気下で加熱しそして適当な温度間隔でサンプル長さをキ
ャリパを使用して測定した。CTEはサンプル長さの変
化分を温度上昇度(℃)割ったものとして計算した。
【0047】これら試験から得たデータを表2に示す。
【0048】
【表2】
【0049】
【発明の効果】図2並びに表1及び2に示されるデータ
から明らかなように、本発明に従って作製されたセラミ
ック複合体は、高い耐摩耗性、高い耐熱衝撃性及び良好
な高温強度を具備し、加熱環境下で一層長い使用寿命を
提供する。また、1500℃まで実質上直線的に膨張し
そして20℃に冷却されるとき元の有効長さに戻るので
%永久膨張はゼロである。本発明セラミック複合体はブ
レークリング用途に特に好適である。
【0050】本発明について特定の具体例を参照して説
明したが、本発明の範囲内で多くの変更を為しうること
を銘記されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】先行技術のジルコニアムライト/窒化硼素サン
プルの温度対原長に比較しての長さ変化をプロットした
グラフである。
【図2】本発明のムライト/窒化硼素サンプルの温度対
原長に比較しての長さ変化をプロットしたグラフであ
る。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水平連続鋳造において使用されるセラミ
    ック複合体から成るブレークリングであって、全体重量
    に基づいて40〜70重量%ムライトと30〜60重量
    %窒化硼素とから成るブレークリング。
  2. 【請求項2】 50〜65重量%ムライトと35〜50
    重量%窒化硼素とから成る請求項1のブレークリング。
  3. 【請求項3】 約50重量%ムライトと約50重量%窒
    化硼素とから成る請求項1のブレークリング。
  4. 【請求項4】 良好な耐熱衝撃性と溶融合金中で良好な
    侵食/腐食耐性を有するセラミック複合体を製造する方
    法であって、 a)40〜70重量%の粒状ムライトと30〜60重量
    %の粒状窒化硼素から成る混合物をブレンドする段階
    と、 b)段階(a)のブレンドした混合物を型内で不活性雰
    囲気中で約1625〜1770℃範囲の温度及び約12
    6〜189kg/cm2(1800〜2700psi)の圧力
    において複合体が収縮を停止するまでの期間加熱及び圧
    縮する段階と、 c)複合体を冷却する段階とを包含する前記セラミック
    複合体を製造する方法。
  5. 【請求項5】 段階(a)において、ブレンド混合物が
    50〜65重量%の粒状ムライトと35〜50重量%の
    粒状窒化硼素とから成る請求項4の方法。
  6. 【請求項6】 段階(b)において、温度が約1710
    〜1725℃の範囲そして圧力が147〜161kg/cm2
    (2100〜2300psi)の範囲にある請求項5の
    方法。
  7. 【請求項7】 段階(a)において、ブレンド混合物が
    約50重量%の粒状ムライトと約50重量%の粒状窒化
    硼素とから成る請求項6の方法。
  8. 【請求項8】 窒化硼素が少なくとも2重量%の酸素を
    含有しそして段階(b)において温度が1690〜17
    70℃の範囲にある請求項4の方法。
  9. 【請求項9】 窒化硼素が2重量%未満の酸素を含有し
    そして段階(b)において温度が1675〜1730℃
    の範囲にある請求項4の方法。
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EP0511840B1 (en) 1995-10-25
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