JPH0611666B2 - 超耐熱衝撃性セラミックス材 - Google Patents

超耐熱衝撃性セラミックス材

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JPH0611666B2
JPH0611666B2 JP63072540A JP7254088A JPH0611666B2 JP H0611666 B2 JPH0611666 B2 JP H0611666B2 JP 63072540 A JP63072540 A JP 63072540A JP 7254088 A JP7254088 A JP 7254088A JP H0611666 B2 JPH0611666 B2 JP H0611666B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は超耐熱衝撃性リチア系セラミックス材に関
し、特に従来到達できなかった温度差800℃以上の耐
熱衝撃性を有するセラミックス材に関する。
(従来の技術) 従来、耐熱衝撃性の材料として知られているものに(イ)
石英ガラセラミックス、(ロ)石英ガラス製品,(ハ)コー
ディエライトセラミックス,(ニ)リチア系セラミックス
等がある。このうち(イ)の石英ガラスセラミックスは、
熱膨張係数が殆ど0である石英ガラスの粉末を成形・焼
結したもので、多くの化学物質に対して安定であるなど
の利点を有している。また(ノ)石英ガラス製品は、石英
ガラスを溶融状態で成形したものであって、(イ)の場合
と同様化学的に安定であり、電気絶縁性にも優れている
など利点がある。一方(ハ)のコーディエライトセラミッ
クスは、MgO−Al2O3−SiO2系素地中に主としてα−コー
ディエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)を析出させた
ものであって、高温における電気絶縁性に優れ、また使
用する原料の入手が容易であり、比較的安価に製造でき
るなどの利点を有している。
最後に(ニ)のリチア系セラミックスは、Li2O−Al2O3−S
iO2系素地中に主としてβ−スポジュメン(Li2O・Al2O3
・4SiO2),β−ユークリプタイト(Li2O・Al2O3・2S
iO2)等を析出させたものある。
(発明が解決しようとする課題) ところで、このような耐熱衝撃性材料は各種用途に供さ
れているが、近時電気調理器の天板としての用途が考え
られている。但しこの電気調理器の天板として用いる場
合には、比較的安価に製造できること,表面が汚れた場
合にもその汚れを容易に拭き取ることができること,容
易に成形できること,安定した品質のものを簡単に製造
できること等の条件を満たすことが必要であり、とりわ
け電気調理器の天板は800〜1000℃近くにも加熱
され、しかも鍋等から水がこぼれ落ちた場合には加熱部
が急激に冷却されることから、温度差800℃以上の耐
熱衝撃性を有することが必要とされる。
これらの点についてみると、上記した従来の耐熱衝撃性
材料は何れも不充分であって、実用に供し得ないもので
あった。
例えば(イ)の石英ガラスセラミックスの場合、石英ガラ
スそのものの熱膨張係数は0に近いものの、この石英ガ
ラスは溶融温度が1700℃程度と高いために、これを
焼結したときに簡単に粒子が焼き締らず、得られる焼結
体は石英ガラス粉末を軽く焼結した程度の、いわばガサ
ガサの構造のものであって、気孔率が8〜15%と大き
く、このために曲げ強度は100〜180kgf/cm2程度
と弱く、結果として天板としての使用に耐えるような充
分な耐熱衝撃性を得ることができなかった。またこの石
英ガラスセラミックスは、その多孔質構造のために汚れ
易く、吸水性も高い等の問題もある。
また(ロ)の石英ガラス製品の場合には、上記したように
石英ガラスの溶融温度が1700℃と高温であり、しか
も溶融されたときに粘度が下がらず高粘性のままの状態
であって、気泡が抜け難いために成形が難しいことの
外、奇麗な製品が得られ難く、加えてその製造が困難で
あることからコストが非常に高くなり、一般消費材とし
て実用に供するには困難がある。またこの石英ガラス製
品は、所詮はガラスであるから機械的強度が低く(50
0〜600kgf/cm2)、壊れ易いなどの問題もある。
次に(ハ)のコーディエライトセラミックスの場合には、
熔化温度範囲が狭いために工業的に安定して緻密な焼結
体お得ることが難しく、またかかる緻密な焼結体とした
場合に熱膨張係数を2×10−6以下にすることが困難
であって、耐熱衝撃性がせいぜい温度差で500℃どま
りであり、これも上記天板としての用途には供し得ない
ものである。
最後に(ニ)のリチア系セラミックスの場合、これも熔化
温度範囲が狭くて工業的に安定して緻密な焼結体を得る
ことが難しい問題がある。即ち原料成形体を焼結しても
各粒子がなかなか焼き締らず、このために析出する結晶
はβ−スポジュメン、β−ユークリプタイト等熱膨張係
数の極めて小さいものであっても、焼結体がガサガサの
多孔質のものとなって汚れ易い外、強度が不足して結果
的に十分な耐熱衝撃性が得られない。
このように従来知られている耐熱衝撃性の材料は、何れ
も耐熱衝撃温度差がせいぜい800℃どまりであり、そ
れ以上の耐熱衝撃性を要求される用途には供し得ないも
のであった。
尚、耐熱衝撃性材料としては以上の他に結晶化ガラス質
のものもあるが、かかる結晶化ガラス質の材料において
も、1000℃での連続使用に耐え、しかも耐熱衝撃温
度差が800℃を保証されているものは提供されていな
い。
(課題を解決するための手段) そこで本発明者は従来到達できなかった温度差800℃
以上の耐熱衝撃性の材料を得るべく鋭意研究を重ねる過
程で、(ニ)のリチア系セラミックスに注目し、これを改
良することで温度差800℃以上の耐熱衝撃性の得られ
ることを知得し、本発明を完成した。而して本発明の要
旨とするところは、リチア系ガラス粉を原料総量の5〜
70重量%の範囲で含有するとともに、主成分としての
Li2O・Al2O3・nSiO2を原料の総量に対して96重量%以
上で含有し、且つnが1.8〜12.5で、Li2OとAl2O
3との比率Li2O/Al2O3が2.0〜0.5の範囲となるよ
うに調製された原料粉を成形・焼結して超耐熱衝撃性セ
ラミックス材となすことにある。
即ち本発明では原料の一部として同じリチア系(Li2O−
Al2O3−SiO2)のガラス粉末を用い、そして原料の最終
組成を、Li2O・Al2O3・SiO2等の成分が上記特定範囲内
で含まれるように調整するようにしたのである。ここで
nの数値はLi2O,Al2O3の係数を1とした場合の数値で
あり、またLi2O,Al2O3との量比(Li2O−Al2O3)は1:
1であるのが望ましいが、上記したようにその量比は
2.0〜0.5の範囲内であれば本発明の効果を奏し得
る。尚、Li2O,Al2O3,SiO2の上記量比を重量%で示す
と、Li2Oが5〜15重量%,Al2O3が10〜45重量
%,SiO2が45〜85重量%である。
一方ガラス粉の添加量は適宜変更可能であるが原料の総
量に対して5〜70重量%の範囲内に抑えることが必要
である。
かかる本発明によると、800℃以上の超耐熱衝撃性の
得られることが確認されているが、その正確な理由につ
いては解っていない。推察される理由としては、(A)従
来熔化温度範囲が狭く、焼結性の悪かったリチア系セラ
ミックス原料の一部として、同じリチア系のガラス粉を
用いることにより、かかるガラス粉が比較的低温で溶融
して反応姓を高め、以て粒子間、の焼結性を高めるこ
と、(b)溶融したガラスが粒子間の孔隙を埋めて全体と
して焼結体の緻密性が高まれること、(c)ガラスとして
リチア系のものを用いることにより且つ原料全体として
の組成を上記特定範囲に調製することにより、析出する
結晶並びに残存するガラス相が何れも熱膨張係数の極め
て低いもののみとなること、などが考えらる。またこの
外、得られる結晶の種類は従来のリチア系セラミックス
と同じであったとしても、結晶の配列構造、形態等が従
来のものと異なっていることが予想される。
何れにしても本発明によりチア系セラミックスの耐熱衝
撃温度差が800℃以上に高められることが再現性のあ
る実現として確認されており、その正確な理由の解明に
ついては今後の研究に持つものである。
本発明は、負の熱膨張(収縮)を示すβ−ユークリプタ
イト固溶体をβ−スポジュメント固溶体とともに析出さ
せることで全体の熱膨張を低く(望ましくは熱膨張係数
α≦1.0×10-8/℃)抑え、且つ焼成に際しては原
料粒子がよく焼き縮まるようにしたことを特徴とするも
ので、そのために原料中にリチア系ガラス粉を5〜70
重量%添加した上、Li2O・Al2O3・nSiO2が原料総量の9
6重量%以上,n=1.8〜12.5,Li2O/Al2O3
が2.0〜0.5となるように原料成分,組成を規定し
たものである。
以下に各数値の限定理由を詳述する。
(イ)Li2O・Al2O3・nSiO2が原料総量の96重量%以上
であること 本発明の超耐熱衝撃性セラミックス材はリチアセラミッ
クス材、即ちLi2O−Al2O3−SiO2系セラミックス材から
成るものであり、本発明の目的を達成し得るセラミック
ス材を得るにはその成分であるLi2O・nSiO2が96重量
%以上含まれていることが必要で、これより少ないと十
分な低膨張,高耐熱衝撃性能が得られない。
因みにLi2O・Al2O3・nSiO2の総量が94重量%になるよ
う組成、具体的にはガラス粉40重量%、蛙目粘土50
重量%、木節粘土10重量%から成る組成の原料を用い
て焼成したセラミックス材の場合、熱膨張係数α=2.
0×10-6/℃であって、耐熱衝撃温度差で350℃程
度しか得られていない。
(ロ)n=1.8〜12.5 本発明においてはnの値を1.8〜12.5とすること
が必要的である。これは次の理由による。
本発明は、前述のようにLi2O−Al2O3−SiO2系結晶、具
体的にはβ−ユークリプタイト固溶体(Li2O−Al2O3
2SiO2),β−スポジュメン固溶体(Li2O・Al2O3・4Si
O2)等を析出させて材料材料全体の低膨張化を図るもの
であり、これらを多く析出させるためにはSiO2がLi2O,
Al2O3に対して適当な比率で原料中に含有されているこ
とが必須である。
即ちLi2O,Al2O3,SiO2が適当なバランスで原料中に含
有されていて初めて上記Li2O−Al2O3−SiO2系結晶が析
出するのであり、そのバランスが崩れた場合、例えばn
が1.8より小さく、SiO2の量が上記適正範囲より少な
い場合、Li2O−Al2O3−SiO2系結晶が良好に析出せず、
逆にnの値が12.5より大きくなった場合、つまりSi
O2の量が過剰となった場合、熱膨張の大きなSiO2系結晶
(クリストバライト等)が析出してしまい、材料の熱膨
張係数が大きくなってしまう。
要するにnの値が1.8より小さくても、また12.5
より大きくても材料の熱膨張係数が大きくなってしまう
のであり、n=1.8〜12.5の範囲においてのみ良
好にβ−ユークリプタイト,β−スポジュメン固溶体が
析出するのである。
因みにn=1.8〜12.5の範囲内では、nの値が大
きくなるとβ−スポジュメン固溶体(Li2O・Al2O3・4S
iO2)が、また小さくなるとβ−ユークリプタイト固溶
体(Li2O・Al2O3・2SiO2)がより多く析出する。
(ハ)Li2O/Al2O3=2.0〜0.5であること 上記のようにβ−スポジュメン,β−ユークリプタイト
は何れもLi2OとAl2O3との化学量論比がそれぞれ1:1
である、従って望ましのはLi2O/Al2O3比率が1:1の
場合である。
但しこれには一定の許容範囲があり、その許容範囲が
2.0〜0.5の範囲となる。
而してLi2O/Al2O3の比率が0.5より小さくなるとAl2
O3(コランダム)が析出するようになり、また2.0よ
り大きくなるとLi2O・SiO2が析出するようになる。これ
ら結晶相は何れも熱膨張の大きい結晶相であり、材料全
体の熱膨張を大きく、また耐熱衝撃性を低下させてしま
う。
このようにAl2O3やLi2O・SiO2結晶相が析出するのは、
これらの方がLi2O−Al2O3-SiO2結晶相よりも化学的に安
定であることによる。
(ニ)ニチア系ガラス粉を5〜70重量%の量で含有す
ること 本発明において、かかるリチア系ガラス粉は原料粉の焼
結に際して焼結を促進し、焼結体を緻密化する働きをな
すものである。この目的のためには5〜70重量%の添
加が必要的である。
5重量%より少ない場合には結晶反応が十分に進まず
「ガサガサ」の焼結体しか得られない。
また一方70重量%を超えると、焼結の際の保形性に問
題が生ずる。
(実施例) 次に本発明をより具体的に明らかにするため、以下その
実施例につき説明する。
[実施例1] 第1表に組成を示すペタライト90部,ガラス10部を
ボールミルを用いて細磨混合し、成形用原料を作成し
た。これを100×100×4mmの板状体に成形した後
1225℃で2時間焼成した。焼成後再度昇温し、10
00℃から水中に投入したが焼結体にはクラック等の欠
点は発生しなかった。尚この焼結体は緻密であって曲げ
強度が1200kgf/cm2と高強度を示した。
[実施例2] ペタライト(第1表)70部,ガラス20部,蛙目粘土
(第1表)10部をボールミルを用いて 細磨混合し、成形用原料を作成した。これを第1の実施
例と同じ形状の成形体に成形後、1150℃で2時間焼
成した。得られた焼結体は1000℃からの水中投入で
異常を生じなかった。尚この焼結体は第1の実施例と同
様に緻密体であり、曲げ強度は1300kgf/cm2であっ
た。
[実施例3] シリマナイト(第1表)35部,ガラス65部を第1,
第2の実施例と同様に処理して原料を作成し、これを成
形後焼結した。得られた焼結体は1000℃からの水中
投入で異常を示さなかった。尚この焼結体は上記実施例
と同様に緻密体であり、曲げ強度は1250kgf/cm2
示した。
[実施例4] 珪酸アルミニウム(Al2O3・SiO2)25部,ガラス40部
及びスポジュメン(第1表)35部を用いてその原料成
形体を上記実施例と同様に焼結した。得られた焼結体は
1000℃からの水中投入で異常を生じなかった。尚こ
の焼結体は緻密体であり、曲げ強度は1300kgf/cm2
であった。
このように上記実施例の何れの場合にも、得られた焼結
体は極めて優れた耐熱衝撃性を示した。
尚、炭酸リチウム,粘土,フリント系を1020〜11
20℃で焼成して吸水率1%以下のものが得られている
が、曲げ強度は422kgf/cm2と弱いものである。また
耐熱衝撃性材料として知られているスポジュメン析出結
晶化ガラス(例えば商品名ネオセラム(日本電気ガラス
(株)))の場合、曲げ強度は1500kgf/cm2と強いが
耐熱衝撃温度差はΔT=600℃までしか保証されてい
ない(サンプルサイズは100×100×3mm)。
以上本発明について詳述したが、本発明のセラミックス
材は上記電気調理器用の天板としての用途のみならず、
例えば第1図に示すようにガス用のクッキング板1とし
て用いたり、その耐超耐熱衝撃性の要求される各種用途
に供し得るものであることは言うまでもない。
(発明の効果) 上に述べたように、本発明によれば従来到達できなかっ
た温度差800℃以上の超耐熱衝撃性を有するリチア系
セラミックス材が得られる。しかしも本発明のセラミッ
クス材は工業的に安価に製造でき、その品質信頼性も高
い外、緻密な構造体であるから汚れが付いても容易に抜
き取ることができる。更に加えられたガラス成分によっ
て表面に光沢があって外観的にも優れる外、曲げ強度が
高い(1200〜1500kgf/cm2のものが容易に得ら
れる)ために、機械的な衝撃に対しても良く耐えること
ができる。
かかるセラミックス材は苛酷な熱衝撃を受ける各種部
品、材料として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一適用例を説明する説明図である。 1:ガス用クッキング板

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチア系ガラス粉を原料総量の5〜70重
    量%の範囲で含有するとともに、主成分としてのLi2O・
    Al2O3・nSiO2を原料の総量に対して96重量%以上で含
    有し、且つnが1.8〜12.5で、Li2OとAl2O3との
    比率Li2O/Al2O3が2.0〜0.5の範囲となるように調
    製された原料粉を成形・焼結して成る超耐熱衝撃性セラ
    ミックス材。
JP63072540A 1988-03-26 1988-03-26 超耐熱衝撃性セラミックス材 Expired - Lifetime JPH0611666B2 (ja)

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