JPS6096585A - 多層構造セラミツクス部材とその製造方法 - Google Patents

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】 本発明は構造部材との接着強度の高い接合に最適なセラ
ミックス部材の構造およびその製造方法に関する。

従来のセラミックスプレートと構造部材（金属もしくは
セラミックス）との接着施工例の断面図を第１図〜第４
図に示した。

第１図〜第４図は現用されている単一構造のセラミック
スプレート１と構造部材４との従来の接着施工例を示し
たものである。

まず、第１図は構造部材４とセラミックスブレート１を
無機接着剤あるいは有機接着剤２で接着させるものであ
るが、セラミックスプレート１の接着面が平坦面である
ことから接着面積が狭い。

このため接着強度が低く、とくに有機接着剤では通常１
００℃を超えるような温度になると室温時の１／ｉｏ程
度（２０〜３Ｃ３ｋｇ／ｃｍ２）　＊　ｆ接着９ｆＪＩ
ｌ；ｆｉ’ｌｆａｍＫ低下するといった問題が生じてい
た。また、無機接着剤は室温時の接着強度そのものが５
０　ｋｇ／１ｍ２程度と低く、５００℃以上になると接
着強度は極端に低下して、８００℃程度の加熱を受ける
と、その冷却過程での相対ひずみにより接着強度が無く
なり、セラミックスプレートは剥離してしまうといった
問題が生じていた。

そこで第２図は高温での熱ひずみを吸収させるために、
セラミックスプレート１と構造部材４との中間忙耐熱性
セラミッククロス、例えばアルミナクロス３を介在させ
て両者を接着させたものである。第１図の直接接着のも
のに比べて有機系、無機系接着剤の両者とも使用限界温
度を３０％程度まで高めることができる。しがしながら
、接着強度はクロスの強度に左右されるために大幅に改
善できないといった問題があった。

さらに、第３図および第４図は１接着強度を上げる手段
として、セラミックスプレート１の接着面および構造部
材４の接着面のいずれが一方にそれぞれ凹溝５および６
を設けて接着面積を広くし、接着強度の増大をはかった
ものである。しがし、いずれの凹溝も加工に多大の経費
を要すると共に、とくに第３図のセラミックスプレート
の凹溝５の場合、応力集中部７が生じてき′裂が発生し
、剥離が生じるといった問題が生じる。さらに、接着部
におけるセラミックスプレートと構造部材との相対ひず
みが剥離の主因であるため、接着面積の増大による効果
はほとんど期待できない。また１セラミツクスプレート
ｌと構造部材４０両者に凹溝を設けることも考えられる
が、このようにしても上述のような事情はほとんど変ら
ない。

従来、セラミックスプレートは、石炭関連−器等におい
て粉粒体接触部分の内張材等として使用されており、こ
のような場合には高温域における高い接着強度、耐熱ひ
ずみ性のみでなく、耐摩耗性、耐熱性、耐食性が要求さ
れるが、これらの要求を満足するセラミックスプレート
は現在のところ見当らない。

本発明の［Ｉ的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、
構造部材との接着に最適で、耐摩耗性、耐熱性、高い接
着強度を有し、高温での熱ひずみを十分吸収できるセラ
ミックス部材の構造およびその製造方法を提供すること
にある。

要するに本発明はセラミックス部材を多層構造のものと
したところにある。すなわち、構造部材との接合面側は
、接着強度および高温での熱ひずみ吸収性、さらには耐
熱衝撃性を上げるために、剛性を低下させた多孔体層で
構成し、一方、外表面の微粉炭あるいは石炭スラリーな
どの衝突する面側は、耐摩耗性、耐熱性および耐食性を
考慮して、緻密体層で構成した多層構造としたところに
特徴がある。

また、上記多孔体層は、セラミックス粗粒粉末を通常よ
り多量の有機結合剤等を用いて焼結する焼結方法を用い
るか、セラミックス微粒粉末にカルボキシメチルセルロ
ーズ、酢酸セルローズ等の有機結合剤等を通常より多量
に添加したものを混合、混練、造粒して得た顆粒を用い
て焼結する焼結方法を用いて形成すればよい。この場合
、使用温度に応じて最低、緻密体層と多孔体層の２層構
造のものとし、必要に応じて多孔体層を２層以上のもの
とするものである。

以下に本発明を実施例により説明する。

本発明の具体的な実施例を二層構造の場合を例にとって
第５図〜第８図に示した。

第５図は被接合構造部材４と本発明による２層構造セラ
ミックプレート１００間に市販の有機系接着剤層あるい
は無機系接着剤層２を設けて両者を接合した例である。

ここで、２層構造セラミックスプレート１０の接着面側
９は粒径１００〜３００μｍの粗粒径のセラミックスか
らなる多孔体層（気孔率：幻〜７０％）とし、一方、外
表面側８は粒径０．５〜犯μｍ程度の微粒セラミックス
からなる緻密体層とした。このようにセラミックスプレ
ート１０を２層構造としたことによって、構造部材４と
の接着面における熱ひずみの吸収性が従来の一体緻密セ
ラミックスプレートに比べて１．５〜２倍に増大し、そ
れＫともなって接着強度も約２〜３向上した。すなわち
、セラミックスプレートの接着面側が多孔体層であるこ
とから、構造部材４との高温での熱膨張差による熱ひず
みを大幅に吸収して剥離の発生を防止することができた
。さらに、気孔部の存在により熱衝撃性を緩和させて耐
熱衝撃性を向上させることができた。一方、セラミック
スプレートの外表面側は緻密体層としたことによって、
強度の増加と共に耐摩耗性、耐熱性、耐食性を増加させ
ることができた。これらの結果によって、本発明のセラ
ミックスプレートは石炭関連機器等のライニングを対象
とした場合１多大の効果を奏することができる。

第６図は本発明の２層構造セラミックスプレートの他の
例を示し、セラミックスプレートＩＯと構造部材４との
接合面に耐熱性のあるセラミックスクロス例えばアルミ
ナクロス３を介在させ、前両者と接着剤２で接合したも
のである。接着剤の耐熱強度は素材と接着剤の熱膨張差
に依存することが明らかであり、発生ひずみを吸収する
ような方法を考案すれば耐熱強度の向上が期待できるこ
とになる。アルミナクロス３を適正な厚さの２〜３龍に
した場合、接着剤２として有機系接着剤、無機系接着剤
の何れを用いても、直接接着法に比べてその使用限界温
度を３０％程度高めることができた。

第７図および第８図は、本発明の多層構造セラミックス
プレートの製造プロセスおよび粉末焼結過程の反応を２
層構造の場合を例として模式的に示したものである。

第７図を参照すれば、ドライプレス金型筒１１に雌金型
１２を貫入させた後、粒径０５〜５０μｍのアルミナ微
粒粉末に少量のカルボキシメチルセルローズまたは酢酸
セルローズ等の有機結合剤、グリセリン等の有機溶剤、
水を混合した濃度の低い有機結合剤液を混合、混練、乾
燥して得た有機結合剤と有機溶剤からなる薄い膜を有す
る微粒粉末１３を金型筒１１に層状に充填した後、この
上に前記アルミナ微粒粉末に多量の上記有機結合剤、有
機溶剤、水を混合、混練して造粒、乾燥した濃度の高い
有機結合剤と有機溶剤からなる厚い膜を有する粒径１０
０〜３００　ｔｔｍの顆粒１４を充填する（同図（Ａ）
）。

つぎに、雄金型１５を金型筒１１に貫入させ、プレス圧
力１０００〜１５００ｋｇ／６ｎ２程度の圧力矢印１６
方向にプレス、加圧成型する（同図（Ｂ））。

その後、加圧成形体を金型筒１１から取り出し、低温で
仮焼成した後、１６００℃程度の温度で焼結すると、多
孔体層１４／と緻密体層ｌＪをもった２層構造焼結体１
７、すなわち、本発明の２層構造セラミックプレートが
得られる（同図（Ｃ））。

上記の２層構造焼結体１７の焼結前後の反応相を模式的
に示したのが第８図である。まず１多孔体層１４′が形
成される機構は、顆粒１４の製造時に混合した多量の有
機結合剤および有機溶剤からなる比較的厚い有機結合膜
１８で一部まれた顆粒１４の加圧成型体を１６００℃程
度の高温で焼結すると、膜１８は、その過程の３００〜
４００℃で分解、炭化され、結局その一部が気孔１９と
して残り、未焼結の顆粒１４中の微粒粉末は焼結されて
粗粒子１１となると同時に粗粒子同志も焼結されて焼結
多孔体層１４′が形成されるものである。一方、少量の
有機結合剤と有機溶剤からなる薄い有機結合膜で結合さ
れた微粒子１３だけのものは、焼結前には微細な気孔１
９を有しているが、高温で焼結すると結晶化と収縮が進
行して、焼結緻密体層１３′が形成されるものである。

以上においては、多孔体層の形成に微粒粉末に有機結合
剤等を混練、造粒して得た顆粒を用いる場合について説
明したが、有機結合剤等と混練した粒径１００〜３００
μｍの粗粒を用いてもほぼ同様な結果が得られる。また
、２層以上の多層構造とする場合には、緻密体層から多
孔体層へと順次粒末の粒度を変えて多層に形成すればよ
い。

本発明は、耐摩耗性および耐熱性はもちろんのこと、接
着強度および高温での耐熱ひずみ性にも優れたセラミッ
クス部材を提供できるものであり、以上においては、ア
ルミナセラミックスに限定して説明したが、これに限ら
ず、ジルコニア、マグネシアなどの酸化物系上ラミック
スならびに炭化けい素、窒化けい素などの非酸化物系セ
ラミックスにも適用することができる。

以上詳述したところから明らかなように、本発明の多層
構造セラミックス部材およびその製造方法によれば、本
発明のセラミックス部材は構造部材との接着面側を多孔
体で構成したので、構造部材との接着強度、耐熱ひずみ
性および耐熱衝撃性を大幅に向上することができると共
に本部材の外表面側は緻密体で構成したので、強度の向
上をはかることができ、耐摩耗性、耐熱性および耐食性
にも優れており、これらの点で従来の同種材料に比れて
極めて優れたセラミックス部材を提供することができる
。さらに、その製造方法は）セラミックス微粉末に有機
結合剤を積極的に添加することで、セラミックス部材の
構造部材との接着面側を多孔体とするもので、従来の構
造部材およびセラミック部材に多数の溝加工を行なう方
法に比べて、大幅な経費節減および多大な信頼性の向上
がはかれるなど、工業上の効果はきわめて大きいものが
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は従来の一体緻密セラミックスプレート
と構造部材との接着施工例を示す断面図、第５図および
第６図は本発明による２層構造セラミックスプレートと
構造部材との接着施工例を示す断面図、第７図は本発明
の製造プロセスを示す模式図、第８図は本発明の２層構
造焼結体の焼結前後の反応機構を模式的に示した図であ
る。 図において、１・・・セラミックスプレート、２・・・
接着剤、３・・・セラミックスクロス、（山構造部材、
５．６・・・凹溝、７・・・応力集中部、８・・・緻密
体セラミックス、９・・・多孔体セラミックス、１０・
・・２層構造セラミックスプレート、１１・・・金型筒
、１２・・・雌金型、１３・・・微粒粉末、１４・・・
顆粒、１５・・・雄金型、１６・・・プレス方向、１７
・・・２層構造焼結体、１３１・・・焼結緻密体層、１
４′・・・焼結多孔体層、１８・・・有機結合膜、１９
・・・気孔。 代理人弁理士　中　村　純之助 ｔ　１　？！１　ｖＩｐ２　Ｍ ｆ３園　到ｐ４図 −Ｎ’　５園　十〇図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １一方の面側は常に緻密体セラミックス層からなり、他
   方の面側は該面方向に順次多孔度を増す一層以上の多孔
   体セラミックス層からなることを特徴とする多層構造セ
   ラミックス部材。 ２、　金型中に、所定量のセラミックス微粒粉末に所定
   量の有機結合剤、有機溶剤、水を混合、混練、乾燥して
   得た微粉末の所定量を層状に充填しさらに該微粉末充填
   層上に所定量の前記セラミックス微粒粉末に前記配合割
   合より多い所定量の有機結合剤、有機溶剤、水を混合、
   混練、造粒、乾燥して得た粒径の異なる複数の顆粒のそ
   れぞれの所定Ｈｋを粒径の順に層状に充填した上加圧し
   て成型体とした後、該成型体を前記金型から取り出して
   所定の焼結温度で所定時間加熱し、前記微粒粉末充填層
   を緻密体セラミックス層に１前記顆粒充填層を多孔体セ
   ラミックス層に転化することを特徴とする多層構造セラ
   ミックス部材の製造方法。 五　金型中に、所定量のセラミックス微粒粉末に所定量
   の有機結合剤、有機溶剤、水を混合、混練、乾燥して得
   た微粉末の所定量を層状に充填いさらに該微粒粉末充填
   層上に粒径の異なるセラミックス粗粒粉末のそれぞれの
   所定量に前記配合はより多い所定量の有機結合剤、有機
   溶剤、水を混合、混線、乾燥して得た複数の粗粒粉末の
   それぞれの所定量を粒径の順に層状に充填した上加圧し
   て成型体とした後、該成型体を前記金型から取り出して
   所定の焼結温度で所定時間加熱し、前記微粒粉末充填層
   を緻密体セラミックス層に、前記粗粒粉末充填層を多孔
   体セラミックス層に転化することを特徴とする多層構造
   セラミックス部材の製造方法。