JPH07118059A

JPH07118059A - 緻密質セラミックスの製造方法

Info

Publication number: JPH07118059A
Application number: JP6117595A
Authority: JP
Inventors: Takanori Watari; 孝則渡; Osaku Matsuda; 應作松田; Kenji Ichikawa; 健治市川; Katsuhiro Wakasugi; 勝廣若杉; Koichiro Mori; 孝一郎森
Original assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Current assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1994-05-07
Publication date: 1995-05-09

Abstract

(57)【要約】【目的】緻密質セラミックスの新規な製造方法を提供
すること。【構成】シリカ系ガラス又は加熱時にガラス相を生成
するシリカ系物質を含む緻密又は多孔なセラミックスを
母材とし、アルミニウムを該母材表面の一部と接触させ
た状態で載置し、660℃以上に加熱する。該加熱によ
り、アルミニウムと前記母材中のシリカ系ガラスとの反
応を開始させ、その反応が引き金となって前記母材中の
クリストバライト、ムライト、カオリン等のシリカ系物
質（又はさらに雰囲気中の酸素）と反応し、該母材中の
一部又は全部を緻密なセラミックス／アルミニウム／シ
リコン複合体に変化させる。【効果】アルミナの存在が許容される高機能性の緻密
質セラミックス部材を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、緻密質セラミックスの
新規な製造方法に関し、機械部品や耐火物等に使用され
るセラミックス、特にアルミナの存在が許容される高機
能性セラミックス部材等の用途に適した緻密質セラミッ
クスの新規な製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスを緻密化する方法として、
従来より(1) 多孔質のセラミックス成形体に液体金属塩
或いはタ−ル等を含浸し、加熱処理することによって該
成形体の気孔を滅する方法、(2) セラミックス成形体の
気孔に金属を酸化させながら充填する方法(特公平3−75
508号公報、特公平4−36112号公報、特公平4−40313号
公報参照)、が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般にセラ
ミックスの焼結においては、ウィスカ−や繊維を含むセ
ラミックス又は耐火物のように粒径分布が大きなセラミ
ックスでは、緻密化が困難であり、そのため、強度、耐
摩耗性、耐食性に劣る欠点を有している。一方、粒径の
揃った微粉の焼結による緻密なセラミックス焼結体で
は、耐熱衝撃性や靱性に欠けるという問題があった。

【０００４】本発明は、上記欠点、問題点に鑑み成され
たものであって、緻密質セラミックスの新規な製造方法
を提供するものであり、本発明の方法を用いると、ウィ
スカ−や繊維を含むセラミックスや耐火物を緻密化する
ことができ、上記欠点を克服することができる。また、
緻密な焼結体に対しても本発明の方法を適用することに
より、母材中に三次元的網目状に金属を生成させること
ができるので、耐熱衝撃性や靱性を向上させることがで
きる。

【０００５】さらに、本発明の方法は、多孔質のセラミ
ックス成形体にも適用することができ、この成形体中に
存在する気孔の一部あるいは全部にアルミニウムを反応
させながら充填し、緻密化することができる。

【０００６】このような多孔質のセラミックス成形体を
緻密化する方法として、前記したように、セラミックス
成形体の気孔に金属を酸化させながら充填する方法が知
られているが、この従来法は、いずれも気相反応剤(空
気、窒素、ハロゲン、炭素、硼素又はこれらの混合物)
中でド−パント(マグネシウム、珪素、ゲルマニウム、
錫、鉛の少なくとも一種よりなるもの)を母材と接触又
は金属中に含有させなければならず、母材としては多孔
質なものに限られたものである。

【０００７】上記従来法に対して、本発明の方法は、ア
ルミニウムによる金属酸化物の高温還元法(テルミット
法)を応用したものであり、上記ド−パンド物質を用い
ることなく、アルニミウムと、シリカ系ガラスとの反
応、母材中のシリカ系鉱物との反応、雰囲気中の酸
素との反応によるものである。そして、本発明は、上記
の反応又はと、と、ととの各反応のい
ずれかをもって、緻密なセラミックス／アルミニウム／
シリコン複合体を得る技術を確立し、本発明を完成した
ものである。

【０００８】即ち、本発明は、緻密質セラミックスの新
規な製造方法を提供するものであって、・第１に、ウィスカ−や繊維を含むセラミックスや耐火
物に適用し、これを緻密化する方法、・第２に、緻密なセラミックス焼結体に適用し、耐熱衝
撃性や靱性を向上させる方法、・第３に、多孔質のセラミックス成形体に適用し、これ
を緻密化する方法、を提供するものであり、特にアルミナの存在が許容され
る高機能性緻密質セラミックス部材を提供することを目
的とし、また、優れた組織、強度、耐食性、耐摩耗性、
靱性等が要求される用途に好適な緻密質セラミックスを
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成する手段として、シリカ系ガラス又は加熱された時に
容易にガラス相を生成するシリカ系物質をセラミックス
母材中に含有せしめるか又は母材表面に塗布し、これに
アルミニウムを接触させた状態で加熱することを特徴と
する。

【００１０】即ち、本発明は、「(1) シリカ系ガラス又は加熱時にガラス相を生成する
シリカ系物質を含む緻密又は多孔なセラミックスを母材
とし、アルミニウムを該母材表面の一部と接触させた状
態で載置し、660℃以上に加熱することにより、アルミ
ニウムと前記母材中のシリカ系ガラスとの反応を開始さ
せ、その反応が引き金となって前記母材中のクリストバ
ライト、ムライト、カオリン等のシリカ系物質又はさら
に雰囲気中の酸素と反応し、該母材中の一部又は全部を
緻密なセラミックス／アルミニウム／シリコン複合体に
変化させることを特徴とする緻密質セラミックスの製造
方法。 (2) セラミックス母材に接してシリカ系ガラスを塗布
し、該塗布面にアルミニウムを接触させて載置し、660
℃以上に加熱することにより、母材中の気孔にアルミニ
ウム反応物を生成させることを特徴とする緻密質セラミ
ックスの製造方法。」を要旨とする。

【００１１】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
おいて、シリカ系ガラスとしては、母材に含有又は母材
の表面に塗布して用いることができる。母材に含有する
場合、その含有量は母材に対して0.5％以上が好まし
く、原料の一部としてガラスを用いたり、シリカ系ゾ
ル、シリカ系アルコキシドを含浸し熱処理したものを用
いたり、或いは、加熱時に生成するシリカ系ガラス相を
含む母材を使用することができる。一方、母材の表面に
塗布して用いる場合、最低限表面に均一に塗布できる量
であればよく、塗布層の厚みにはよらない。

【００１２】緻密化しようとするセラミックス母材とし
ては、本発明において限定するものではないが、特にア
ルミナ系、シリカ系、ジルコニア系、炭化珪素系等が有
効である。また、アルミニウムとしては、シリカ系ガラ
ス又はそれを含有するセラミックスの外面の一部に接触
させる面を含んだ任意の形状に成形したものを使用する
ことができ、このためアルミニウム粉末、板状体又は塊
状体をこのような形状に加工したものを用いることがで
きる。更に、本発明において、アルミニウムを緻密化し
ようとするセラミックスに混合させて用いることもでき
る。

【００１３】加熱する温度としては、アルミニウムが溶
融する660℃以上であれば、アルミニウムと該母材表面
のシリカ系ガラスとの反応が始まり、セラミックスの緻
密化をもたらすので好ましい。加熱時の雰囲気に関して
は、大気中あるいは酸素を含んだ気体に限られるもので
はなく、アルゴン、ヘリウム、窒素雰囲気であってもよ
く、このような不活性雰囲気中でもアルミニウムとシリ
カ系ガラスとが反応し、緻密化を達成させることができ
る。

【００１４】しかし、工業的に好ましい温度は、シリカ
系ガラスの材質や粘性によって異なるが、おおよそ900
℃〜1200℃であり、また、雰囲気としては、酸素分圧の
高い方が望ましい。

【００１５】図３は、加熱温度と緻密化部分の厚さとの
関係を示す一例であって、緻密化する速度に及ぼす加熱
温度の影響を示す図である。この図では、アルミナ及び
シリカを原料として気孔率約40％のセラミックス成形体
を作製し、次に、この成形体を1700℃で焼成し、該成形
体内にシリカ系ガラスを約10wt％生成させたものをセラ
ミックス母材として用いた。そして、アルミニウム粉末
成形体をこの母材に接触させて酸素雰囲気中電気炉で１
時間加熱した。この時の反応によって母材中に生成した
アルミニウム酸化物の厚さと温度との関係を示した図で
ある。

【００１６】これらの条件では、図３に示すとおり、加
熱温度が1150℃のときに緻密化された部分の厚さが最大
となるが、本発明では、この温度に限定されるものでは
なく、アルミニウムが溶融する温度660℃以上であれ
ば、任意温度で加熱することができる。なお、本発明に
おいて、工業的に利用できる条件として最適な加熱条件
は、母材の材質、形状、シリカ系ガラスの成分、粘性等
によって異なるので、一律に決めることができない。

【００１７】上記実験において、アルミニウムとの反応
の前後における試料の組成は、反応前がアルミナ、クリ
ストバライト、ムライト及びシリカ系ガラスであり、反
応後の気孔中の生成物は、アルミナ、アルミニウム、珪
素であることを確認した。このことから、クリストバラ
イトやムライトといったシリカ系酸化物もアルミニウム
との反応に関与していることが理解できる。なお、本発
明において、母材の組成や雰囲気により金属の比率を変
えることも可能である。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を挙げ、本発明をより
詳細に説明する。

【００１９】（実施例１）まず、セラミックス母材とし
て、気孔径約0.5mm、気孔率約80％のアルミナ製多孔体
に粒子径1μm以下のシリカゾルを混合し、大気雰囲気中
1700℃で3時間焼成し、シリカ系ガラスを約5wt％生成さ
せた後、幅20mm、長さ80mm、高さ20mmに切断加工したも
のを用意した。また、アルミニウムとして、粒径が約2m
mの粉末を100MPaの圧力で母材と同様の大きさにプレス
成形したものを準備した。

【００２０】上記セラミックス母材を電気炉内に配置
し、その上に上記アルミニウム粉末成形体を置き、酸素
雰囲気中1150℃で3時間加熱し、その後冷却した。この
時の試料の模式図を図１に示すが、図中１はセラミック
ス母材、２はアルミニウム粉末成形体である。

【００２１】得られたセラミックスは、上部約2／3が緻
密化されており、その部分の見掛け気孔率は2％以下で
あった。

【００２２】（実施例２）セラミックス母材として粒径
0.2mm、気孔率約45％のカオリン成形体を用い、実施例
１と同様な方法で酸素雰囲気中1150℃で2時間加熱し
た。得られた試料は、母材の大部分がアルミナ／金属
(アルミニウム／シリコン)複合体に変化した。複合体部
分の曲げ強度は255MPaであり、破壊靱性値(Ｋ_IC)は7.3M
Pa・ｍ^1/2であった。

【００２３】（実施例３）セラミックス母材として、重
量比率でアルミナ87％、クロミア3％、シリカ5％、粘土
5％を原料とし、成形、焼成し、シリカ系ガラスを2wt％
生成させた見掛け気孔率約15％の耐火物を幅25mm、長さ
120mm、高さ25mmに切断加工したものを用い、実施例１
と同様の方法で酸素雰囲気中1150℃で3時間加熱した。
得られた耐火物は、上部約2/3が緻密化されており、そ
の部分の見掛け気孔率は1％程度であった。また、この
耐火物の曲げ強度は20MPaであるが、緻密化した部分の
曲げ強度は約200MPaであった。（本実施例３における母
材及び反応後の複合体の化学組成：後記表２参照）

【００２４】（実施例４）ジルコン質耐火物を1650℃で
加熱し、ジルコニアとシリカ系ガラス相を生成させた気
孔率25％のものを母材とし、この母材上にアルミニウム
成形体を載せ、実施例１と同様な条件で加熱した。その
結果、上部1.5cmがジルコニア／アルミナ／アルミニウ
ム／シリコン複合体に変化し、複合体の見掛け気孔率は
約5％であった。（本実施例４における母材及び反応後
の複合体の化学組成：後記表２参照）

【００２５】（実施例５）泥奨鋳込み(スリップキャス
ト)により製造されたリング状の緻密質溶融石英耐火物
を母材とし、母材コア部の空洞にアルミニウム顆粒を詰
め、大気中900〜1200℃で0.25〜3時間加熱した。加熱
後、母材内面の0.5〜3mmがアルミナ／アルミニウム／シ
リコン複合体に変化した。（本実施例５における母材及
び反応後の複合体の化学組成：後記表２参照）

【００２６】（実施例６）市販の緻密なムライト焼結体
３種(NC、KM、S)をセラミックス母材とし、それぞれの
母材の平面上にアルミニウム成形体を載せ、実施例１と
同様な条件で加熱した。その結果、ムライトがアルミナ
／アルミニウム／シリコン複合体に改質され、曲げ強度
が約２倍に増加した。また、ムライト組成に近いものほ
ど、改質後の強度が高くなる傾向を示した。３種のムラ
イト焼結体のAl₂O₃/SiO₂値、ガラスの割合、曲げ強度、
破壊靱性値及び複合体の曲げ強度と破壊靱性値を表１に
示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】（実施例７）気孔率18％のアルミナ質耐火
煉瓦を母材とし、その上部に母材に対して0.8wt％のパ
イレックスガラス(化学組成：後記表３参照)を塗布し、
さらにその上部にアルミニウム成形体を載せて、酸素雰
囲気中1150℃で6時間加熱した。その結果、煉瓦の上部
約5cmがアルミナ／アルミニウム／シリコン複合体に変
化し、複合体部の見掛け気孔率は0.5％程度であった。
（本実施例７における母材及び反応後の複合体の化学組
成：後記表２参照）

【００２９】（実施例８）粒径12μmのアルミナ70wt％
にジルコニア繊維を30wt％混合し、プレス成形したもの
をセラミックス母材とし、その上部に1.5wt％のソ−ダ
ライムガラス(化学組成：後記表３参照)の粉末を塗布し
た。そして、実施例１と同様の方法で成形したアルミニ
ウムをソ−ダライムガラス塗布面に接触させて、酸素雰
囲気中1000℃で１時間加熱した。この時の試料の模式図
を図２に示すが、図中１はセラミックス母材、２はアル
ミニウム、３はソ−ダライムガラスである。得られた試
料は、アルミニウムの酸化率が約80％であり、緻密なジ
ルコニア繊維／アルミナ／アルミニウム／シリコン複合
体が製造できた。

【００３０】ここで、前記実施例３、４、５、７におけ
る母材及び反応後の複合体の化学組成を一括して表２に
示す。また、前記実施例７及び実施例８で使用した「パ
イレックスガラス」及び「ソ−ダライムガラス」の化学
組成を表３に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】（比較例１）セラミックス母材として、気
孔径約0.5mm、気孔率80％のアルミナ製多孔体を幅20m
m、長さ80mm、高さ20mmに切断加工したものを用意し
た。また、アルミニウムとしては、粒径が約2mmの粉末
を100MPaの圧力で、母材と同様な形状に成形して用い
た。

【００３４】上記母材を電気炉に配置し、その上に上記
アルミニウム成形体を置いて、酸素雰囲気中1150℃で3
時間加熱し、その後冷却した。得られたセラミックス母
材の気孔内には何も生成しておらず、全く緻密化されて
いなかった。なお、ここで用いたアルミナ製多孔体は、
実施例１で用いたものと同じものである。

【００３５】（比較例２）セラミックス母材として、重
量比率でアルミナ95％、クロミア5％を原料とした見掛
け気孔率15％の耐火物を用い、実施例３と同様の方法で
この耐火物を緻密化しようとした。しかしながら、耐火
物は全く緻密化されず、見掛気孔率15％で変化はなかっ
た。

【００３６】前記した実施例１〜８から明らかなよう
に、シリカ系ガラス又は加熱時にガラス相を生成するシ
リカ系物質を母材中又は母材に接触させて用い、これに
アルミニウムを接触させた状態で加熱することにより、
該母材が緻密なセラミックス／金属(アルミニウム／シ
リコン)複合体に変化することが認められた。一方、シ
リカ系ガラスを含まないセラミックス成形体にアルミニ
ウムを接触させて加熱した比較例１、２では、全く反応
が起こらず、緻密な複合体の生成は認められなかった。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、以上詳記したとおり、シリカ
系ガラス又は加熱された時にガラス相を生成する物質を
含むセラミックス成形体にアルミニウムを接触させた状
態で加熱することを特徴とするものであり、これによっ
て緻密なセラミックスが得られる効果が生じる。そし
て、本発明により、アルミナの存在が許容される高機能
性の緻密質セラミックス部材を提供することができ、ま
た、優れた組織、強度、耐食性、耐摩耗性、靱性等が要
求される各種用途に好適な緻密質セラミックスを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る図であって、セラミッ
クス母材上にアルミニウム粉末成形体を置いた状態を模
式的に示した図。

【図２】本発明の実施例８に係る図であって、セラミッ
クス母材上にソ−ダライムガラス粉末を塗布し、その塗
布面上にアルミニウム粉末成形体を置いた状態を模式的
に示した図。

【図３】緻密化する速度に及ぼす加熱温度の影響を示し
た図。

【符号の説明】

１セラミックス母材２アルミニウム粉末成形体３シリカ系ガラス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ０４Ｂ 41/85 Ｅ 41/88 ＵＣ０４Ｂ 35/00 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリカ系ガラス又は加熱時にガラス相を
生成するシリカ系物質を含む緻密又は多孔なセラミック
スを母材とし、アルミニウムを該母材表面の一部と接触
させた状態で載置し、660℃以上に加熱することによ
り、アルミニウムと前記母材中のシリカ系ガラスとの反
応を開始させ、その反応が引き金となって前記母材中の
クリストバライト、ムライト、カオリン等のシリカ系物
質又はさらに雰囲気中の酸素と反応し、該母材中の一部
又は全部を緻密なセラミックス／アルミニウム／シリコ
ン複合体に変化させることを特徴とする緻密質セラミッ
クスの製造方法。
【請求項２】セラミックス母材に接してシリカ系ガラ
スを塗布し、該塗布面にアルミニウムを接触させて載置
し、660℃以上に加熱することにより、母材中の気孔に
アルミニウム反応物を生成させることを特徴とする緻密
質セラミックスの製造方法。
【請求項３】前記セラミックス母材が、アルミナ系、
シリカ系、ジルコニア系、炭化珪素系のうち少なくとも
一種を含む請求項１又は請求項２記載の緻密質セラミッ
クスの製造方法。
【請求項４】アルミニウムとシリカ系ガラスとの反応
温度が900〜1200℃である請求項１又は請求項２記載の
緻密質セラミックスの製造方法。
【請求項５】酸素含有雰囲気中で加熱する請求項１又
は請求項２記載の緻密質セラミックスの製造方法。