JPH0637330B2 - 管状セラミック製品ならびにその製造方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は、ケイ素、炭化ケイ素からなる管状セラミック
製品ならびにその製品をつくる方法および装置に関する
ものである。

(ロ)従来技術 炭化ケイ素、ケイ素とカーボンの結晶上の混合物は、硬
さ、強さ、すぐれた耐酸・耐食性があることが長く知ら
れてきた。炭化ケイ素は低膨張係数、良好な熱伝達特性
を有し、また、昇熱時の高強度およびすぐれたクリープ
抵抗を示す。これらの好ましい特性は、強い共有原子価
の化学的結合に寄与している。これはまた炭化ケイ素の
望ましくない特性の原因ともなる。それが材料を有用な
形状に加工または製造することを困難にしている。例え
ば、炭化ケイ素は高温で溶解するよりも解離するので、
溶解工程によって製品をつくることを困難にし、また、
炭化ケイ素が非常に遅い拡散速度を有しているので、塑
性変形工程による製造は実現できない。

炭化ケイ素粒子の本体を形成し、そして結合された本体
を成形するために高温で粒子を結合または焼結させるこ
とによって成形された炭化ケイ素製品をつくることが提
案された。粒子状の炭化ケイ素の出発材料が十分に微細
でかつ適当な焼結処理がなされるならば、微細粒子材料
は高温で十分な自己拡散を示し、粒子材料が実質的に濃
密な単相材料に焼結・形成される。一般に、焼結工程は
微細粉末の出発材料を必要とし、特に圧力をかけない焼
結工程がより微細な出発材料を必要とする。出発材料の
必要な微細性および純度のために、焼結工程によって形
成される製品は比較的に高価である。

粗く純度の低い炭化ケイ素の粉末は、高温で一体に結合
することが知られている。しかし、その製品は相当な孔
質になるので、通常は強く、耐食性、より十分な緻密材
料とはならない。このような材料の特性は、この材料の
孔に蒸気または液状のケイ素を浸透させることによって
実質的に改良されて、２相のケイ素一炭化ケイ素製品を
つくる。このような工程は出発材料として比較的に安価
な粗い粉末を利用するのではあるが、それらは２つの高
温炉を必要とする。その１つの炉は炭化ケイ素を炭化ケ
イ素結合体に形成し、別の炉は形成本体にケイ素を浸透
させる。

粗く純度の低い炭化ケイ素の粉末と微粒子カーボンまた
はカーボン源材料との混合物がつくられ、そして順次高
温でケイ素を浸透させて、“反応結合”または“反応焼
結”炭化ケイ素製品を形成する。カーボン成分は微粒子
グラファイトまたはアモルファス・カーボンの形体でも
よく、またはカーボン源材料の形体でもよい。例えば、
ピッチ、樹脂、または類似の材料の炭化有機材料が加熱
中にカーボンに分解する。

浸透ケイ素は予備成形本体中のカーボンと反応して、有
機炭化ケイ素粒子と結合して濃密な炭化ケイ素製品をつ
くる追加の炭化ケイ素を形成する。代表的には、反応結
合炭化ケイ素材料は、ほとんど無に近い孔質と、第２相
の存在または通常約８容積％以上のケイ素の残部によっ
て特徴付けられている。

代表的なケイ化または代表的な反応結合工程において
は、微粒子炭化ケイ素およびカーボンの出発材料が、一
般に“グリーン・ボディ”（素材）と言われている製品
に予備成形され、次いで焼成される。微粒子炭化ケイ素
およびカーボンの出発混合物が形成のさいに助けとなる
バインダによって普通に混合される。バインダが乾燥し
ているか、または比較的に乾燥している場合には、粉末
がプレスまたはアイソプレスを用いた所望の形状のグリ
ーン・ボディに圧縮されてもよい。バインダが液状また
は半液状で、十分な量で用いられた場合には、混合物は
適当に滑り鋳造、押出し、注入成形されて、形成された
グリーン・ボディをつくる。

高温熱交換成分が比較的に薄い壁を好ましくは有してい
て高速の熱伝達を容易にする。種々の方法によって炭化
ケイ素の管状製品をつくる試みが以前になされたが、い
ずれも市場においては成功を納めていない。

例えば、米国特許第801,296号は、炭化ケイ素の外層を
つくるために固体カーボン・ロッドをケイ化させ、次い
でカーボン内面を燃やして炭化ケイ素の外層を残すこと
によって中空の炭化ケイ素をつくる方法を開示してい
る。

米国特許第1,266,478号は、管状の炭化ケイ素製品を得
るために、炭化ケイ素およびカーボンの管状本体を予備
成形しかつケイ化する代表的な方法を記載している。

米国特許第1,756,457号は、炭化ケイ素管をつくるため
に、予備成形柱に酸化ケイ素およびカーボンの反応を示
唆している。

米国特許第3,495,939号は、微粒子炭化ケイ素およびカ
ーボンの管を予備成形し、その管を炉内に垂直に定置
し、管の底を液状ケイ素に接触させてケイ化することに
よって管状の炭化ケイ素をつくることを示唆している。

米国特許第3,882,210号は、炭化ケイ素の管をつくるた
めに、アルファ炭化ケイ素とグラファイトの予備成形管
を炭化することを示唆している。

米国特許第4,265,843号は、まず低温でケイ素の存在し
ている回転予備成形カーボン管を加熱して管に浸み込ま
せ、次いで高温で加熱してケイ素とカーボンとを反応さ
せて炭化ケイ素の管をつくる管状の炭化ケイ素の製造を
記載している。

(ハ)発明が解決しようとする課題 前述したように、長く（４−８フィート）、太く（外径
４−８インチ）、薄肉（1/8−1/4インチ）の管をつくる
ことは困難な問題を生じる。従来の方法で最初につくら
れる必要のある管状素材は固有の構造的弱さがあり、細
心の注意を払わない限り、容易に変形し、破壊される。
引き続く処理工程において、管状素材は注意深く乾燥及
び／又は焼成され、ケイ化のために炉内に定置される。
予備成形体のもろさおよび重労働入力をもたらす必要な
多作業は、費用の点だけからも多くの用途において管状
炭化ケイ素の使用を妨げる大きな要因となっている。

ここで使用する“反応焼結”とは、化学反応による結合
を意味し、ケイ素がカーボンと単独で、または炭化ケイ
素と混合して反応することを含む。

ここで用いる“カーボン”とは、浸透ケイ素と反応して
余分の炭化ケイ素を形成する加熱のさいのカーボンをつ
くるカーボンまたはカーボン源を意味する。

ここで用いる“管状”とは、製品が管の形体を有するこ
と、すなわち、それが筒状になっていることを意味す
る。本発明ではほぼ丸い断面を有する管について記載す
るが、本発明ではそれに限られず、長円、方形、多角形
断面を有していてもよく、内外面が異なる断面になって
いる管でもよい。本発明は管内に多数の通路を別個にも
つ管であってもよい。

(ニ)課題を解決するための手段 本発明は、炭化ケイ素およびケイ素からなる管状製品お
よびこの製品の製造方法および装置に関するものであ
る。その製品は、それらが金属形態のケイ素を含み、か
つ化学的に結合された形態のケイ素を含むという点で特
徴付けられている。

その方法は、微粒子炭化ケイ素、カーボンまたはケイ素
とカーボンとの混合物の少なくとも１本の中空垂直管状
柱に隣接してまたは連続して、微粒子ケイ素の少なくと
も１本の中空垂直管状柱を同軸に定置させる工程と、隣
り合っている柱をケイ化温度、すなわち、ケイ素の融点
（約 1410−1420℃）以上でかつ約2400℃以下の温度ま
で加熱する工程からできている。この温度においては、
微粒子ケイ素成分は溶解または蒸発し、微粒子の炭化ケ
イ素、カーボンまたはそれらの混合物を含む柱の孔の中
に浸透し、管状セラミック製品をつくる。

装置は、微粒子供給材料を保持する複数の供給ホッパ
と、少なくとも２つの間隔をあける同軸配置の寸法的に
安定した管状型部材からなる装填機構とからできてい
る。装填機構は、垂直に定置された電気誘導炉の炉チュ
ーブ内に間隔をあけて嵌合する寸法になっており、か
つ、炉チューブの内外に移動できる。選択された微粒子
供給材料は型部材の間のまわりにある空間に流し込むこ
とによって、適当に乾燥鋳造される。例えば、装填機構
は、最初は炉チューブ内に同軸に定置され、炉加熱要素
を間隔をあけて取り囲む。充填または乾燥鋳造作業が完
了後、装填機構が炉から取り去られる。

型部材の外面と炉内壁との間にある空間に微粒子断熱材
料が適当に充満され、型部材間の空間に選択的にケイ
素、カーボン、またはそれらの混合物で満たされ、内側
型部材と加熱要素との間の空間に選択的にケイ素で満た
される。乾燥鋳造作業後、微粒子供給材料の別個の垂直
中空柱が炉内に同軸に配置されてとどまっている。炉が
頂部から底部までケイ化温度まで順次増大して加熱され
る。ケイ素成分は、炭化ケイ素、カーボン、またはそれ
らの混合物を含む柱に浸透する。浸透された柱は次に冷
却されて、濃密な管状ケイ素一炭化ケイ素製品をつく
る。

微粒子の炭化ケイ素の出発材料は、材料が押込みなしに
装置を通って流動する十分に粗い粒径になっている。粒
子は直径５０ミクロン以上で500 ミクロン以下であり、
また、ここで用いる“微粒子”はこの意味である。微粒
子炭化ケイ素の出発材料が単独の粒径であるか、または
より高い詰込み効率をつくる別個の粒径の組合せからな
っていてもよい。

微粒子カーボンは単独の供給材料として用いられるか、
または微粒子炭化ケイ素と混合されて用いられてもよ
い。微粒子カーボン成分は、浸透シリコンに反応して、
炭化ケイ素を形成し、最終製品中に残る遊離した無反応
ケイ素の量を減少させる。最終製品中に望まれる遊離し
たケイ素の量は製品の用途にもとづいて決まる。例え
ば、目的の製品が耐摩耗、耐酸、耐食性を要求する場合
には、最小または微小の遊離ケイ素および遊離カーボン
の量は、ケイ素およびカーボンの硬度および化学的不活
性が炭化ケイ素のそれ以下であるので、製品中に要求さ
れる。

本発明の特別に有用な別の実施例においては、微粒子グ
ラファイトおよびケイ素が出発材料として用いられる。
このような別個の実施例においては、微粒子のグラファ
イトおよびケイ素の互いに隣接した柱がケイ化温度まで
加熱される。ケイ素は炭化ケイ素を形成するためにグラ
ファイトに反応するグラファイト柱に浸透する。微粒子
グラファイトが微細で約５０ミクロン以下である場合に
は、グラファイトは炭化ケイ素に完全に変換される。グ
ラファイト粒子が直径約５０ミクロン以上の場合には、
炭化ケイ素の薄層がグラファイト粒子上に形成し、ま
た、３相の材料がつくられる。このような材料は、炭化
ケイ素の小さい相と大きい相としてケイ素およびグラフ
ァイトを有する。

グラファイト相の大量の存在によって本製品の物理的特
性に影響を及ぼす。グラファイト、カーボンの結晶形体
は小さい弾性係数で、低い熱膨張係数、および高熱伝導
性を有している。約１０容量パーセント以上の量で本製
品に混入されたとき、その製品は改良された熱衝撃およ
び熱応力抵抗を示す約６０容積パーセント以上の量はケ
イ素浸透工程を達成するには困難である。

本発明の工程は、素材ではなく、前述の必須の管成形方
法が本発明によってなされるという点に特徴がある。微
粒子材料が炉内に供給され、焼成後、最終セラミック管
が炉から取り出される。

本発明の管状製品は、ケイ素を自由状態の無反応でかつ
化学的に結合された形体で含む組成である。その組成
は、遊離した無反応のケイ素および炭化ケイ素、カーボ
ン、またはそれらの混合物から選ばれた材料から構成さ
れる。最終製品は約５から約６０容積％、特に約１０か
ら約５５容積％の遊離ケイ素を含有し、約４０から約９
５容積％、特に有効には約４５から９０容積％の炭化ケ
イ素を含有し、約０から約４０容積％の遊離カーボンを
含有する。

合成管状製品は、乾燥鋳造、すなわち選択された微粒子
出発材料の隣接または連続の中空同軸配置垂直柱に流す
ことによってつくられる。微粒子材料の中空同軸柱が続
いて加熱されて柱中の材料を反応させて管状製品を形成
する。柱は個々に微粒子ケイ素および微粒子炭化ケイ
素、カーボン、またはそれらの混合物からできている。
以下に詳述する添附図面は、乾燥鋳造工程を実施するの
に特に適した装置を示す。加熱工程は誘導加熱によっ
て、不活性雰囲気または真空中で好ましくは実施され
る。適切なケイ化温度は、ケイ素の融点以上（通常は少
なくとも約1500℃）でかつ2400℃以下である。

ケイ素成分は、約1500から４０ミクロン以下までの範囲
にある平均粒径を有する市販の微粒子ケイ素でもよい。
特に有用なケイ素材料が直径約100から約1000ミクロン
の範囲にある。ケイ素粒子の寸法は、流動および詰込み
特性を除いて厳密ではない。その理由はケイ素成分がケ
イ化工程中に完全に溶解されるからである。

炭化ケイ素の成分は粒子である。すなわち、その粒子は
約５０ミクロン以下の直径を有し、さらに好ましくは約
７５と300ミクロンとの間の平均粒径を有している。炭
化ケイ素成分は、アルファまたはベータ相炭化ケイ素か
ら適当に選ばれる。アルファおよびベータ相材料の混合
物が使われてもよい。炭化ケイ素の出発材料は分離また
は純度を要求せず、また、鉄、カルシウム、アルミニウ
ムのような少量の不純物ならびに少量の無反応カーボ
ン、ケイ素、酸化ケイ素が存在しても悪影響はない。

カーボン成分は、炭化ケイ素との混合物に用いられたと
きに自由に流動する寸法になっている場合には、その成
分はアモルファス・カーボンかまたはグラファイトかの
いずれでもよい。約0.01と約５０ミクロンとの間にある
粒径を有し、特に約0.5と約２５ミクロンとの間にある
平均粒径を有する自由流動材料は、無反応カーボンが最
終製品に必要な場合には、使用される傾向がある。無反
応カーボンが最終製品に必要とされる場合には、粗いカ
ーボン出発材料が用いられる。この場合、約５０から約
1500ミクロンまでの範囲、特に約100から1000ミクロン
までの範囲の粒径のカーボン材料が代表的に用いられ
る。

本発明のケイ化作業を実施するさいに、微粒子ケイ素の
中空柱が溶解し、微粒子炭化ケイ素、カーボン、または
それらの混合物を含む中空柱内に浸透する。このような
場合に、ケイ素成分が溶融によって取り除かれるので、
後者の柱の壁は隣接壁の支持の喪失のために部分的に壊
れる。この状況は、乾燥微粒子仮バインダ（例えば、熱
硬化樹脂、適当なフェノール樹脂）の少量を、炭化ケイ
素、カーボン、またはそれらの混合物からなる柱として
用いられる供給材料中に混合することによって非常に最
小にされるか完全に防止される。別の樹脂が、アセトン
のような溶剤中に樹脂を分解しかつ樹脂溶液を供給材料
内に混合することによって、供給材料に加えられる。引
き続く乾燥が、供給材料の微粒子上に均等に結合した樹
脂を堆積する。供給材料の約1.5から１０重量％までの
樹脂の量が広く用いられる。残余がケイ素成分に反応す
る余分のカーボンを与える場合に、バインダが加熱のさ
いに柱中にカーボン残余を残すものでなければならな
い。

ケイ化工程は、ケイ素の融点（約1410−1420℃）以上の
温度でかつ約2400℃以下の温度で実施される。ケイ化工
程は不活性雰囲気または真空（後者が好ましい）で実施
される。約0.001Torrと約2.0Torr との間の真空が著し
く使用に適している。不活性雰囲気が用いられる場合に
は、わずかに高いケイ化温度が通常要求される。適切な
不活性雰囲気は、例えば、窒素、アルゴンおよびヘリウ
ム等の不活性ガスである。不活性雰囲気は、ケイ化工程
に悪影響を与えないものである。ケイ化工程が完成した
後に、管状製品が好ましくは炉内で約1200℃以下の温度
まで冷却される。そのとき、不活性雰囲気または真空が
製品の酸化を防止するように維持される。微粒子炭化ケ
イ素、カーボン、またはそれらの混合物の中空柱を完全
に浸透させるためのケイ素の重量は、炭化ケイ素、また
はカーボン粒子の詰込み密度、カーボンの形式および
量、成分の粒径、管状製品の所望の厚みおよび組成から
計算されうる。適量は、このようなデータから計算され
るか、または決定されてもよい。

加熱の好ましい形体は電気誘導加熱によってなされ、ま
た、好ましい炉はコア形式またはコアなし形式のもので
ある垂直真空誘導炉である。加熱は炉の頂部から底部ま
で実施される。すなわち、ケイ化工程は、出発材料の同
軸配置微粒子中空柱の頂部から出発して徐々に実施さ
れ、柱の底部またはベースまで続けて実施される。

(ホ)実施例 第１図から第４図までにおいて、微粒子供給材料は、１
１，１３，１５のような供給ホッパをかいして供給され
る。炉内で形成される微粒子材料の各中空垂直柱につい
て１つのホッパが適当に設けられる。例えば、図示する
ように、１つのホッパは微粒子ケイ素を供給し、１つの
ホッパは微粒子炭化ケイ素、カーボン、またはそれらの
混合物を供給し、また、１つのホッパは微粒子断熱材料
を供給する。装填機構１７は、薄肉金属管から適当につ
くられた複数（少なくとも２つ）の同軸に配置された寸
法の安定した中空開口楕円端型部材１９，２１からでき
ている。装填機構１７は垂直真空誘導炉２３内に間隔を
あけて嵌合する寸法になっている。装填機構１７は、適
当に微粒子溶融石英である絶縁材料２８上に定置され
る。誘導炉23は炉チューブ２５、電気誘導電源２９に電
気的に接続された垂直可動誘導コイル２７からできてい
る。図示するように、第１図から第５図までおよび第７
図において、誘導炉２３は、例えば加熱コアまたは要素
３１を有している。炉チューブ２５は溶解された石英か
ら適当につくられる。このような材料は、良好な電気的
絶縁体であり、実質的に不浸透であり、高温によく耐
え、大径管として市場で入手できる。加熱要素３１は、
グラファイトから適当につくられ、抵抗加熱要素に通常
必要とされる螺旋または切断をせずにグラファイトの単
純な中空管の形体になっていてもよい。装填機構１７
は、当該技術においては公知の可逆昇降機構３０（例え
ば、調節自在のねじ、ラック、ピニオン、ウォーム・ホ
イル機構）によって炉の内外に適当に動かされる。

第２図は、中央間隔部材３９を示す。この部材３９は装
填機構１７の外周に定置されてもよい。部材３９は装填
機構１７を炉チューブ２５内で中心位置決めさせるさい
に著しく有効である。中央間隔部材３９は、狭く、間欠
的で外側円筒形部材１９に周囲にそって定置されたスト
リップの形体で、延長してもよい。

炉２３に装填するためには、装填機構１７が可逆昇降機
構３０によって、炉チューブ２５の内部ベース部分上に
定置された絶縁物２８と接触するように第３図に示す位
置まで下降される。装填機構１７は、それが炉チューブ
２５内で中央にまたはほぼ中央に位置決めされるように
定置される。ホッパ１１，１３，１５は複数の供給部材
または供給ライン３３，３５，３７を有している。これ
らのラインは、円筒型部材１９，２１の間のまわりの空
間に個々のホッパを別個に接続するホースまたはシュー
トの形体のものでもよい。供給部材は流れを制御するた
めに弁３６を有していてもよい。図示するように、円筒
型部材１９，２１のまわりにある空間は炉チューブ、部
材、コアまたは加熱要素の内側に環状に画定される。

第３図に示すように、装填機構１７は炉チューブ２５内
で中央またはほぼ中央に位置決めされる。炉チューブ２
５の内部、装填機構１７、および加熱要素３１によって
画定される環状空間は、ホッパ１１，１３，１５からの
微粒子材料で充満される。図示するように、炉チューブ
２５の内面と装填機構１７の円筒形部材１９の外面との
間の空間は微粒子絶縁材料４１で満たされている。絶縁
材料41は微粒子リアクタント材の一方の面について物理
的支持を与え、高温から炉チューブを絶縁し、最終製品
を炉チューブから容易に取り除かれるようにする働きを
する。絶縁材料４１は、ケイ素、炭化ケイ素、カーボン
または炉チューブの材料に反応しない任意の材料でもよ
い。その材料は、溶融ケイ素によって湿らされていな
い、すなわち、浸透されていないケイ素ではないもので
ある。窒化ボロン、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸
化アルミニューム、酸化ジルコニュームのような酸化物
および溶解石英が有効である。窒化ボロン、窒化アルミ
ニューム、溶解石英が著しく有効であることがわかっ
た。円筒形部材２１の外面と円筒形部材１９の内面とに
よって画定される環状空間は、微粒子炭化ケイ素、カー
ボンまたはそれらの混合物４３で満たされている。円筒
形部材２１の内面と加熱要素３１とによって画定される
環状空間は微粒子ケイ素４５を満たされている。加熱要
素31の外面は、窒化ボロン、窒化アルミニューム、窒化
ケイ素によって被覆されて、溶融ケイ素が湿れたりそれ
と反応したりしないようにする。高密度微細粒子のグラ
ファイトの加熱要素は、低密度粗粒子のグラファイトよ
りも溶融ケイ素に対してより大きい抵抗があることがわ
かった。

第４図は、炉チューブ２５が充填された後の第３図の構
造を示す。装填機構１７が炉チューブ２５から取り除か
れて、リアクタント材料および絶縁材料の中空柱が残さ
れる。カバー３２はチューブ２５上に置かれる。炉充填
物とカバー３２との間の空間は、炉のベース部分に用い
られるものと類似の絶縁材料で適当に満たされてもよ
い。

可動誘導コイル２７は炉チューブ２５の頂部に定置さ
れ、加熱要素３１が温度上昇をするように作動する。加
熱要素が十分に高温に達したとき、微粒子ケイ素の中空
柱が溶解され、微粒子材料の適当な隣接柱内に注入され
る。誘導コイル２７は、可逆昇降機構３０によって炉チ
ューブ２５にそって漸次下方に動かされ、ケイ化方法を
徐々に実施する。

第５図は、炉の最初の加熱が開始した後の第４図の構造
を示す。図示するようにケイ素柱の頂部が部分的に解け
て炭化ケイ素、カーボン、または管３４を形成するそれ
らの混合物を含む柱内に浸透する。ケイ化温度まで加熱
が炉の頂部から底部まで徐々に進行される。

第６図は、無磁心型炉が用いられ、加熱要素がない別の
実施例を示す。この実施例においては、カーボン、好ま
しくはグラファイト４７の垂直柱がリアクタントとして
また加熱要素として用いられる。炉チューブ２５の中央
部またはコアは絶縁材料４９で満たされる。

第７図はさらに別の実施例を示す。この実施例において
は、仮支持体５１，５３が追加の安定性を微粒子材料の
柱に与え、また、装填機構１７の除去を容易にする。支
持体５１，５３は紙のような可燃性の材料から適当につ
くられる。ワックス紙または被覆紙が用いられてもよ
い。完全に可燃性の材料またはカーボンを残す材料が等
しく適している。

具体例１ 上述した装填機構および垂直真空誘導炉が用いられた。
装填機構は外管１９を有している。外管は外径57.15mm
（2.250in）、内径54.66mm(2.152in)になっている。外
管の一端は内面に向かって斜めに形成されて約54.61mm
（2.15in）の直径を有するナイフ・エッジを形成する。
装填機構は内管２１を有している。内管２１は、外径5
0.8mm（2.00in）、内径48.31mm（1.902in）になってい
る。内管の一端は外に向かって斜めに形成されて、直径
50.8mm（2.000in）を有するナイフ・エッジを形成す
る。内管は止めねじによって外管内に同軸状に保持され
る。

装填機構は、内径70.41mm（2.772in）、外径76.835mm
（3.025in）、長さ609.6mm（24in）の溶解石英炉チュー
ブ内に中心位置決めされる。炉チューブは支持フレーム
に垂直方向に定置された。炉チューブの底端は、アルミ
ニューム板によって保持された平らなゴム真空ガスケッ
トによって閉じられた。真空ホースおよびポンプがアル
ミニューム板に接続される。石英管の３インチ（76.2m
m）底は、ゴム真空ガスケットを熱的に絶縁するために1
2.7mm（0.5in）厚カーボン・フェルト・ディスクによっ
て満たされた。

３つの供給ホッパが用いられた。その１つは窒化ボロン
粒子SHP-40級、Sohio Engineere Materials Companyの
製品であり、他の１つはケイ素粒子、Siligrain SGI-20
メッシュ、Elkem Metals Companyの製品であり、他の１
つは炭化ケイ素粒子、９５％ 50/100メッシュ・サイズ
No.１のブレンド、Exolon-ESK Companyの製品、５％ド
ライ・フェノール樹脂、ダイフェン級 877Ｐ、Sherwin-
Williams Company の製品である。

微粒子供給材料は、内径1/4インチ（6.35mm）の１８本
のプラスチック・フィーダ管で、各供給材料について６
本の管を通して供給された。供給管は装填機構の周囲で
６０度ずつ配置される。供給管は、微粒子の窒化ボロン
を装填機構の外管と炉チューブの内面との間に供給し、
微粒子の炭化ケイ素を装填機構の管内に供給し、微粒子
のケイ素を装填機構の内面と炉加熱管の外面との間に供
給するように配置される。

充填後、装填機構はゆっくりと上昇されて、微粒子の窒
化ボロン、炭化ケイ素樹脂、ケイ素の中空柱を別個に同
軸に配置される。装填機構を取り去った後に、頂部の空
間はカーボン・フェールト・ディスクで満たされ、ゴム
・ガスケットと金属板とによって蓋をされる。真空が炉
チューブの下端に加えられる。

外径4.762mm（3/16in）の銅製管で、１２巻きのコイル
であって、内径79.375mm（31/8in）、長さ76.2mm（３i
n）の誘導コイルが450KHz、２1/2Kw Lepel 誘導電源に
接続された。コイルは０．８プレート電源入力を用いた
炉チューブにおいて開始した。コイルは１分間に 8.382
mm（0.33in）の速度で炉チューブにそって下降された。
石英管の底が近付けられたときに、コイルが停止され、
電源が切られた。炉チューブが室温まで冷却され、開か
れて、管状製品が取り出された。窒化ボロンがゆるい粒
状にあり、浸透工程によって影響を受けていないとき
に、ケイ化炭化ケイ素管が石英炉から容易に取り出され
る。ケイ素柱が炭化ケイ素柱内への浸透によって取り出
されたとき、加熱要素がケイ化炭化ケイ素管から容易に
取り除かれる。ケイ化炭化ケイ素管製品は微細構造では
小孔を有する丸く直状になることがわかった。微細構造
における炭化ケイ素の容積は、視覚検査で約５０％に見
積られた。製品の外径は約54.864mm（2.160in）、内径
は約50.038mm（1.970in）であった。

具体例２ この具体例においては、約−150メッシュの粒径と0.58g
/cmのタップ密度を有するグラファイト粉が、具体例１
において用いられたように炭化ケイ素樹脂要素の代りに
用いられ、また、炉加熱要素の代りに絶縁粒子のコアが
用いられた。他に用いられた工程は具体例１のものに準
じた。管状製品の磨き断面の顕微鏡写真は、グラファイ
ト粒子が完全には炭化ケイ素に変換されてはいなく、ま
た、炭化ケイ素の薄層のみがケイ素母材によって取り囲
まれたグラファイト粒子の面上に現われることを明らか
にした。

具体例３ この具体例においては、炉チューブが絶縁粒子のコアの
まわりに詰められた絶縁粒子、ケイ素粒子、グラファイ
ト粉末の同軸層によって満たされた。その他の工程は具
体例１のものに準じた。製品は具体例２のものに類似し
ていた。

【図面の簡単な説明】

第１図は最適炉負荷装置を示す縦断面図。第２図は第１
図の２−２線からみた装填装置の横断面図であって利用
されうる中央間隔機構を示す。第３図は第１図の誘導炉
の部分縦断面図であって乾燥鋳造方法によって満たされ
た炉内に定置される装填機構を示す。第４図は炉が充満
されかつ装填機構が取り除かれたときの第１図の誘導炉
の部分縦断面図。第５図は第１図の誘導炉の部分縦断面
図であってケイ化温度まで加熱された炉と製造された管
状製品を示す。第６図は第１図の誘導炉の部分縦断面図
であって、炉が無磁心型であり、内部加熱要素が利用さ
れていない別の構成を示す。第７図は第１図の誘導炉の
部分縦断面図であって、微粒子の柱が追加の仮支持機構
を有している別の構成を示す。 11，13，15：供給ホッパ、１７：装填機構 19，21：円筒形部材、２３：誘導炉 ２５：炉チューブ、２７：誘導コイル ２９：誘導電源、３０：可逆昇降機構 33，35，37：供給ライン、３６：弁 ４１：絶縁材料、４３：混合物 ４５：微粒子ケイ素

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記の工程を含むことを特徴とする、ケイ
   素および炭化ケイ素からなる管状セラミック製品の製造
   方法： ａ）加熱炉内の隣接する管状空間内に微粒子のケイ素を
   充填してなる第１の中空垂直管状柱、および炭化ケイ
   素、カーボンまたはそれらの混合物から選ばれた微粒子
   材料を該加熱炉内の隣接する別の管状空間内に充填して
   なる第２の中空垂直管状柱の両者を、両者間の仕切り壁
   を取り除いて隣接させて同軸に定置させる工程、 ｂ）前記のケイ素を前記第１の柱から前記第２の柱に浸
   透させるケイ化温度まで両柱を加熱する工程、次いで ｃ）浸透された該柱を冷却して中空で寸法的に安定した
   セラミック管状製品を形成する工程。
2. 【請求項２】前記第２の柱が炭化ケイ素からなることを
   特徴とした請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】前記第２の柱がカーボンからなることを特
   徴とした請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】前記第２の柱が炭化ケイ素およびカーボン
   からなることを特徴とした請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】前記の両柱は、ケイ素の溶融点以上でかつ
   2400℃以下の温度に加熱されることを特徴とした請求項
   １記載の方法。
6. 【請求項６】前記の浸透する工程が真空下で実施される
   ことを特徴とした請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】前記の浸透する工程が不活性雰囲気下で実
   施されることを特徴とした請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】炭化ケイ素、カーボン、またはそれらの混
   合物を含む柱が樹脂バインダーを含むことを特徴とした
   請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】前記のバインダーが乾燥微粒子形体で加え
   られることを特徴とした請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】前記のバインダーが液体の形体で加えら
    れ、また、微粒子材料上にて引き続いて乾燥されること
    を特徴とした請求項８記載の方法。
11. 【請求項１１】前記の加熱工程が電気誘導によってなさ
    れることを特徴とした請求項１記載の方法。
12. 【請求項１２】前記の加熱工程が抵抗加熱コアを有する
    電気誘導炉内で実施されることを特徴とした請求項１記
    載の方法。
13. 【請求項１３】前記の加熱工程が無磁心型電気誘導炉内
    で実施されることを特徴とした請求項３記載の方法。
14. 【請求項１４】請求項１〜１３記載のいずれか１項の方
    法によってつくられた中空管状セラミック製品。
15. 【請求項１５】前記製品がケイ素および炭化ケイ素から
    なることを特徴とした請求項１４記載の製品。
16. 【請求項１６】前記製品がケイ素、炭化ケイ素、グラフ
    ァイトからなることを特徴とした請求項１４記載の製
    品。
17. 【請求項１７】下記の機構を含むことを特徴とする、微
    粒子材料の複数個の柱を管状垂直電気誘導炉内に装填す
    る、管状セラミック製品の製造装置： ａ）該誘導炉内に間隔をあけて嵌合する寸法の複数の環
    状に間隔をあけた開口円筒形部材からなる装填機構、 ｂ）前記の炉内に該装填機構を置く機構、 ｃ）微粒子供給材料の供給を保持するホッパー機構、 ｄ）ホッパー機構から前記の円筒形部材の間のまわりの
    空間に微粒子材料を選択的に供給するように配置された
    複数の供給機構、 ｅ）微粒子材料の柱を残して前記の炉から前記の円筒形
    部材を取り除く機構、および ｆ）前記の炉を加熱する誘導コイル機構。
18. 【請求項１８】前記の炉が真空誘導炉であることを特徴
    とした請求項１７記載の装置。
19. 【請求項１９】前記の供給機構がホースであることを特
    徴とした請求項１７記載の装置。
20. 【請求項２０】前記の炉がコア型炉であることを特徴と
    した請求項１７記載の装置。
21. 【請求項２１】前記の炉が無磁心型炉であることを特徴
    とした請求項１７記載の装置。
22. 【請求項２２】前記の外側円筒形部材が該部材を前記の
    炉内に間隔をあけて定置するように円周間隔部を有して
    いることを特徴とした請求項１７記載の装置。