JPS61261260A - 低膨脹セラミツクスおよびその製造方法 - Google Patents

低膨脹セラミツクスおよびその製造方法

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JPS61261260A
JPS61261260A JP60102386A JP10238685A JPS61261260A JP S61261260 A JPS61261260 A JP S61261260A JP 60102386 A JP60102386 A JP 60102386A JP 10238685 A JP10238685 A JP 10238685A JP S61261260 A JPS61261260 A JP S61261260A
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渡辺 敬一郎
松久 忠彰
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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】 (産業上の利用分野) 本発明は低膨脹セラミックスに関するもので、更にくわ
しくは、緻密質で耐熱衝撃性、気密性、さらに耐熱性に
も優れたコージェライト系緻密質低膨脹セラミックスに
関するものである。
(従来の技術) 近年工業技術の進歩に伴い、耐熱性、耐熱衝撃性に優れ
た材料の要求が増加している。セラミックスの耐熱衝撃
性は、材料の熱膨張率、熱伝導率、強度、弾性率、ポア
ソン比等の特性に影響されると共に、製品の大きさや形
状、さらに加熱、冷却状態即ち熱移動速度にも影響され
る。
耐熱衝撃性に影響するこれらの諸因子のうち特に熱膨脹
係数の寄与率が大であり、とりわけ、熱移動速度が大で
あるときには熱膨脹係数のみに大きく左右されることが
知られており、耐熱衝撃性に優れた低膨脹材料の開発が
強く望まれている。
′  従来比較的低膨脹なセラミック材料として、コー
ジェライトが知られているが、一般にコージェライトは
、緻密焼結化が難しく、特に室温から800℃までの熱
膨脹係数が2.0xlO−”/℃以下となるような低膨
脹性を示すコージェライト素地では、カルシア、アルカ
リ、カリ、ソーダのような融剤となるべき不純物量を極
めて少量に限定する必要があるためガラス相が非常に少
なく多孔質になる。
特に近年自動車排気ガス浄化用触媒担体として使用され
ているコージェライト質ハニカム構造体は、室温から8
00℃までの熱膨脹係数が1.5X10〜”/℃以下で
あることを必要とするため、不純物の少ないタルク、カ
オリン、アルミナ等の原料が使用され、コージェライト
焼結体の気孔率はせいぜい25〜45%の範囲のものし
か得られない。
従ってこのようなコージェライトセラミックスを例えば
、ハニカム構造にして回転蓄熱式熱交換体に応用した場
合、その開気孔率が大きいためハニカム構造体貫通孔を
形成する隔壁表面の気孔、へ 特に連通気孔を通して加熱流体と熱回収側流体との相互
間に流体のリークが発生し、熱交換効率及び熱交換体が
使用されるシステム全体の効率が低下する重大な欠点を
有している。また、ターボチャージャーローターのハウ
ジングエギゾーストマニホールド等に応用した場合、開
気孔率が大きいため、圧力の高い空気が漏れてしまい重
大な欠点となる。このようなことから耐熱衝撃性に優れ
た、低膨脹で緻密質なコージェライトセラミックスが強
く望まれていた。
本発明の目的は、熱膨脹係数が2.0X10〜’/l:
以下と低膨脹で開気孔率が15%以下の緻密なコージェ
ライト系セラミックスおよびその製造法を提供しようと
するものである。
従来緻密なコージェライトセラミックスを得る方法とし
ては、コージェライト組成のパッチ調合物を溶融して成
形後、結晶化処理を行い、ガラスセラミックス化する方
法が知られている。例えば、1977年発行の「ジャー
ナル・オブ・ザ・カナディアン・セラミック・ソサエテ
ィ」第46巻に掲載されたトッピングとマースイの論文
は、コージェライトのSiO□の20重量%以内をAl
PO4で置換したものを提案している。同論文によれば
、AlPO4を添加した原料主成分を1600℃で融解
後冷却したコージェライトガラスを生成し、再加熱後冷
却してコージェライトの結晶を生成させている。得られ
るコージェライトは緻密であるが、析出するコージェラ
イト結晶相の配向を制御できないため熱膨脹係数が小さ
いものでも2.15 Xl0〜” / tと未だ大きい
欠点がある。
特開昭59−13741号公報と特開昭59−9294
3号公報の発明は、Y2O3又はZnOを添加した主原
料成分に8203及び/又はP2O5を添加し、焼成し
て得た結晶化ガラス成分を2〜7μに微粉砕してガラス
フリフトとし、所要形状に成形後、再度焼成結晶化させ
てなる結晶イしガラス体を提案している。このものは熱
膨脹係数が2.4〜2.6 xto−’/lと大きい欠
点がある。
コージェライトセラミックスが低膨脹性を示す理由は、
例えば昭和50年(1975年)5月27日にアーウィ
ン・エム・ラッチマン他に与えられた「アニソトロピッ
ク・コージェライトモノリス」という名称の米国特許第
3.885.977号明細書(対応日本出願:特開昭5
0〜175612号公報)に開示されているように、板
状粘土、積層粘土に起因する平面的配向により、焼成後
のコージェライトセラミックスが、配向して形成される
ためであり、このためガラスセラミックス化による緻密
質コージェライトでは2.0X10〜’/℃以上の高い
熱膨脹係数となる。
(問題点を解決するための手段) 本発明の低膨脹セラミックスは、P2O5を2%未満含
有し、主たる結晶相がコージェライト相からなり、開気
孔率が25%以下であり、25〜800℃の間の熱膨脹
係数が2.OXl0〜’/℃以下であり、500〜12
00℃で1000時間保持したときの寸法変化率が±0
.05%以下である。
好適な化学組成は、8.0〜20.5重量%のMgOと
、24.0〜45.0重量%のAl2O3と、40.5
〜61.0重量%の5in2と、2.0重量%未満のP
2O,とを含有するものである。
直径が5μm以上の細孔の縁網孔容積は、通常的0.0
6cc/g以下である。
コージェライト相のMgはZn及びFeの何れか一方又
は双方により10モル%以下置換された鉄コージェライ
ト、亜鉛コージェライト又は鉄亜鉛コージェライトであ
っても良い。
本発明の低膨脹セラミックスは、7.5〜20重量%の
MgOと、22.0〜44.3重量%のA1□03 と
、37.0〜60.0重量%の5in2と、2.0〜1
0.0重量%のP2O5を含有する化学組成のパッチを
調製し、このパッチを成形し、成形体を焼成し、焼成体
を酸処理して主としてP2O,を選択的に除去し、酸処
理後の焼成体を1150〜焼成温度で熱処理することに
よって製造される。
P2O,として燐酸アルミニウム、燐酸マグネシウム、
燐酸亜鉛及び燐酸鉄から成る群から選択したP2O,源
を用いると好適である。
MgO、Al2O3及びSin□として、ブルーサイト
、マグネサイト、タルク、粘土、アルミナ及び水酸化ア
ルミニウムから成る群から選択したMgO源、A1□0
.源及び5in2源の何れか一者以上を用いると好適で
ある。
MgO源の平均粒径は5μm以下であることが好ましい
(作 用) 本発明はコージェライトの低膨脹性を維持しつつ、緻密
化し、500〜1200℃で長時間保持時の寸法変化率
を小とする。
(実施例) 以下、本発明を例につきさらに詳細に説明する。
実施例1〜13と参考例14〜30 後掲の第1表に記載する調合割合に従って予め粒度調製
したブルーサイト、マグネサイト、タルク、アルミナ、
水酸化アルミニウム、粘土、燐酸アルミニウム、燐酸マ
グネシウム、燐酸鉄を混合した。第1表に用いた原料の
化学分析値を示す。
この混合物100重量部に水5〜10重量部、澱粉糊(
水分80%)20重量部を加え、ニーグーで十分に混練
し、真空押出成形機にてピッチ1.0fflffl、薄
壁の厚さ0.10mmの三角セル形状を有し、65mm
四方長さが120mmのハニカム柱状成形体に押出した
。このハニカム成形体を乾燥後、第1表に記載した焼成
条件で焼成し、次いで硫酸、硝酸、塩酸などにて酸処理
してP2O,を選択的に除去し、さらに1150℃〜焼
成温度で熱処理し、本発明の実施例1〜13と参考例1
4〜30のコージェライト系セラミックハニカムを得た
第1表に示した各種コージェライト系セラミックハニカ
ムについて粉末X線回折によりコージェライト結晶を定
量し、25℃から800℃の温度範囲における熱膨脹係
数、開気孔率、水銀圧入ポロシメーターによりセラミッ
クハニカム薄壁部の直径5μm以上の細孔容積と、加圧
空気の薄壁からのリーク量を測定比較した。加圧空気の
薄壁からのリーク量はコージェライト系セラミックハニ
カムの一方の端面に中央に20 mm X 20 mm
の正方形の穴を有する65X65ffllOのゴム製パ
ツキンを装着し、もう一方の端面に穴の無い65X65
fflfflのゴム製パツキンを装着密閉し、前記ゴム
製パツキンの穴に1.4kg/cdの加圧空気を導入し
、加圧空気の流量を測定して単位面積当りの単位時間当
りのリーク量(kg7m2秒)とした。さらに5鮒x 
5 [11111x50Lのセラミックハニカム試料を
1200℃にて1000時間時間保持した後の寸法変化
率をマイクロメーターにて測定した。結果は第1表に示
す通りであった。結果の若干を第1〜6図にも示す。
第1表の実施例1〜13と参考例14〜30の結果及び
第1図から明らかなように、化学組成がMg07.5〜
20.0重量%、A120322.0〜44.3重量%
、S蚤0237.0〜60.0重量%、P2O52,0
〜1O00重量%である焼結体を酸処理することにより
、化学組成がMg08.0〜20.5重量%、Al21
1324.0〜45.0重量%、Sin□40.5〜6
1.0重量%、P2O52,0重量%未満であり、主た
る結晶相がコージェライト相からなり、開気孔率が25
%以下で、25〜800℃の間の熱膨脹係数が2.0X
IO−8/l:以下である低膨脹セラミックスが得られ
た。第2図は95℃の1.5Nの硫酸にて酸処理したと
きの酸処理時間と重量減少率との関係を示す。
第3図は95℃の1.5N硫酸にて酸処理したときの酸
処理時間と各化学成分の減少率の関係を示す。第4図は
95℃の1.5N硫酸で酸処理したときの酸処理時間と
熱膨脹係数との関係を示す。同図から明らかなようにP
2O5を含む本発明の方が酸処理による熱膨脹係数の減
少効果が著しいことが判る。また、第4図より明らかな
ようにリーク量と孔径が5μm以上の細孔容積との間に
は高い相関が認められ、細孔容積を0.06cc/g以
下にすることによりリーク量を通常のコージェライトの
半分以下に低減することができた。さらに第5図より明
らかなように=1150℃〜焼成温度にて熱処理するこ
とにより、1200℃にて1000時間保持した後の寸
法変化率が±0.05%以下に抑制され、気密性、耐熱
衝撃性を要求される高温構造材料として極めて優れた特
性を有していた。第6図には実施例6、参考例14及び
16の細孔径分布曲線を示す。直径5μm以上の総細孔
容積の小さい実施例にあっては、参考例14及び16に
比して第5図から明らかなようにリーク量が著しく低く
なる。さらにリーク量を通常のコージェライト以下に低
減することができる。
第7図及び第8図は参考例14及び参考例23の微構造
組織をそれぞれ示していて、多孔質であり大きな気孔が
存在していることがわかる。また第9図は実施例4の微
構造組織を示し、上述した参考例に比べて大きな気孔が
少なく緻密質であることがわかる。また第10図は実施
例4に対するCu0K線によるX線回折チャートを示し
、このチャートから主たる結晶相がコージェライト相で
あることがわかる。
(発明の効果) 本発明はコージェライトの低膨脹性を維持しつつ、緻密
化し、高温時の寸法を安定化したもので、その応用範囲
はセラミックリジェネレータ−(CRG)にとどまらず
、広くセラミックレキュペレータ−(CRP) 、セラ
ミックターボチャージャー(CTR)用ハウジング、ガ
スタービン、原子炉炉材、種々の自動車部品例えばエン
ジンマフラー、エキゾーストポート、エキゾーストマニ
ホールド及び排ガス浄化触媒担体、熱交換体、その地気
密性を必要とする低熱膨張材として、充分な実用性を備
えている為、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図はコージェライト系セラミックハニカムのP2O
5含有量と開気孔率および熱膨脹係数の関係を示す特性
線図、 第2図は95℃、1.5N硫酸にて酸処理したときのセ
ラミックハニカムの重量減少率の時間依存性を示す特性
線図、 第3図は95℃で1.5N硫酸にて酸処理したときの各
成分の減少率の時間依存性を示す特性線図、第4図は1
.4kg/ant加圧空気のセラミックハニカム薄壁か
らのリーク量と孔径が5μ以上の細孔容積との相関を表
わす特性線図、 第5図は1200℃にて保持した時の寸法変化率の時間
依存性を示す特性線図、 第6図は細孔径分布曲線図、 第7〜8図は従来の低膨脹セラミックスの微構造を示す
拡大写真図、 第9図は本発明の低膨脹セラミックスの微構造を示す拡
大写真図、 第10図はX線回折チャートである。 第1図 220st’1ti(%ン 第2図 酸 づζゴ理FIIIMI(hン m定理時間(h) 第4図 威f45)ts)ダ上の1g孔の総麺孔の8績(Ce/
f)/200℃UPfFffM (h) 第6図 0.10 0.2 0!;  10 2.0  g、O
fO,022051:10〆〃締孔径(μtr) 手  続  補  正  書 昭和61年 8月13日   1゜ 特許庁長官  黒  1) 明  雄  殿2、発明の
名称 3、補正をする者 事件との関係  特許出願人 4、代理人 (訂正)明   細   書 発明の名称  低膨脹セラミックスふよびその製造方法 特許請求の範囲 1、  P2O1,を211%未満含有し、結晶相の主
成分がコージェライト相からなり、開気孔率が25%以
下であり、25〜800℃の間の熱膨脹係数が2.OX
10〜6/℃以下であり、500〜1200℃で100
0時間保持したときの寸法変化率が±0.05%以下で
あることを特徴とする低膨脹セラミックス。 2、 化学組成で8.0二20.5重量%のMgOと、
24.0〜45.0重量%のA1□03と、40.5〜
61.0重量%のS10□と、2.0重量%未満のP2
1]5とを含有する特許請求の範囲第1項記載の低膨脹
セラミックス。 3、 直径が5μm以上の細孔の繊細孔容積が0.06
cc/g以下である特許請求の範囲第1項または第2項
記載の低膨脹セラミックス。 4、 コージェライト相のMgがZn及び/又はFeに
より10モル%以下置換された特許請求の範囲第1項、
第2項又は第3項記載の低膨脹セラミックス。 5、 7.5〜20重量%のMgOと、22.0〜44
.3重量%のAl、03 と、37.0〜60.0重量
%のSiO□と、2.0〜l090重量%のP2O,を
含有する化学組成のパッチを調製し、このパッチを成形
し、成形体を焼成し、焼成体を酸処理して主としてP2
O5を選択的に除去し、酸処理後の焼成体を以下である
低膨脹セラミックスの製造方法。 6、  P、0.とじて燐酸アルミニウム、燐酸マグネ
シウム、燐酸亜鉛及び燐酸鉄から成る群から選択したP
2O,源を用い、MgO、Al□03及びSin□とし
てブルーサイト、マグネサイト、タルク:粘土、アルミ
ナ及び水酸化アルミニウムから成る群から選択したMg
[l源、層、03源及びSlO□源の何れか一者以上を
用いる特許請求の範囲第5項記載の製造方法。 7、  MgO源が平均粒径5μm以下である特許請求
の範囲第6項記載の製造方法。 3、発明の詳細な説明 (産業上の利用分野) 本発明は低膨脹セラミックスに関するもので、更にくわ
しくは、緻密質で耐熱衝撃性、気密性、さらに耐熱性に
も優れたコージェライト系緻密質低膨脹セラミックスに
関するものである。 (従来の技術) 近年工業技術の進歩に伴い、耐熱性、耐熱衝撃性に優れ
た材料の要求が増加している。セラミックスの耐熱衝撃
性は、材料の熱膨張率、熱伝導率、強度、弾性率、ポア
ソン比等の特性に影響されると共に、製品の大きさや形
状、さらに加熱、冷却状態即ち熱移動速度にも影響され
る。 耐熱衝撃性に影響するこれらの諸因子の゛うち特に熱膨
脹係数の寄与率が大であり、とりわけ、熱移動速度が大
であるときには熱膨脹係数のみに大きく左右されること
が知られており、耐熱衝撃性に優れた低膨脹材料の開発
が強く望まれている。 従来比較的低膨脹なセラミック材料として、コージェラ
イトが知られているが、一般にコージェライトは、緻密
焼結化が難しく、特に室温から800℃までの熱膨脹係
数が2.0X10〜’/l:以下となるような低膨脹性
を示すコージェライト素地では、カルシア、アルカリ、
カリ、ソーダのような融剤となるべき不純物量を極めて
少量に限定する必要があるためガラス相が非常に少な(
多孔質になる。 特に近年自動車排気ガス浄化用触媒担体として使用され
ているコージェライト質ハニカム構造体は、室温から8
00℃までの熱膨脹係数が1.5X10〜6/℃以下で
あることを必要とするため、不純物の少ないタルク、カ
オリン、アルミナ等の原料が使用され、コージェライト
焼結体の気孔率はせいぜい25〜45%の範囲のものし
か得られない。 従ってこのようなコージェライトセラミックスを例えば
、ハニカム構造にして回転蓄熱式熱交換体に応用した場
合、その開気孔率が大きいためハニカム構造体貫通孔を
形成する隔壁表面の気孔、−特に連通気孔を通して加熱
流体と熱回収側流体との相互間に流体のリークが発生し
、熱交換効率及び熱交換体が使用されるシステム全体の
効率が低下する重大な欠点を有している。また、ターボ
チャージャーローターのハウジングエギゾーストマニホ
ールド等に応用した場合、開気孔率が大きいため、圧力
の高い空気が漏れてしまい重大な欠点となる。このよう
なことから耐熱衝撃性に優れた、低膨脹で緻密質なコー
ジェライトセラミックスが強く望まれていた。更にこの
ような高温にさらされる高温構造材料では、寸法安定性
が要求され、実使用時の寸法変化率は±0.05%以下
であることが望まれている。 本発明の目的は、熱膨脹係数が2.0X10〜”/℃以
下と低膨脹で開気孔率が25%以下500〜1200℃
で1000時間保持した後の寸法変化率は±0.05%
以下の緻密なコージェライト系セラミックスおよびその
製造方法を提供しようとするものである。 従来緻密なコージェライトセラミックスを得る方法とし
ては、コージェライト組成のパッチ調合物を溶融して成
形後、結晶化処理を行い、ガラスセラミックス化する方
法が知られている。例えば、1977年発行の[ジャー
ナル・オブ・ザ・カナディアン・セラミック・ソサエテ
ィ」第46巻に掲載されたトッピングとマースイの論文
は、コージェライトのSlO□の20重量%以内をAI
PO,で置換したものを提案している。同論文によれば
、AlPO4を添加した原料主成分を1600℃で融解
後冷却したコージェライトガラスを生成し、再加熱後冷
却してコージェライトの結晶を生成させている。得られ
るコージェライトは緻密であるが、析出するコージェラ
イト結晶相の配向を制御できないため熱膨脹係数が小さ
いものでも2.15 X 10〜’ / t:と未だ大
きい欠点がある。 特開昭59−13741号公報と特開昭59−9294
3号公報の発明は、Y2O3又はZnOを添加した主原
料成分にB2O3及び/又はP2O5を添加し、焼成し
て得た結晶化ガラス成分を2〜7μに微粉砕してガラス
フリフトとし、所要形状に成形後、再度焼成結晶化させ
てなる結晶化ガラス体を提案している。このものは熱膨
脹係数が2.4〜2.6 Xl0〜6/lと大きい欠点
がある。 コージェライトセラミックスが低膨脹性を示す理由は、
例えば昭和50年(1975年)5月27日にアーウィ
ン・エム・ラッチマン他に与えられた「アニソトロピッ
ク・コージェライトモノリス」という名称の米国特許第
3.885.977号明細書(対応日本出願:特開昭5
0〜75611号公報)に開示されているように、板状
粘土、積層粘土に起因する平面的配向により、焼成後の
コージェライトセラミックスが、配向して形成されるた
めであり、このためガラスセラミックス化による緻密質
コージェライトでは2.0X10〜6/l:以上の高い
熱膨脹係数となる。更にこれらの従来例では寸法安定性
に関する記載はなんら認められない。 (問題点を解決するための手段) 本発明の低膨脹セラミックスは、P2O5を2′%未満
含有し、結晶相の主成分がコージェライト相からなり、
開気孔率が25%以下であり、25〜800℃の間の熱
膨脹係数が2.OXl0〜’/℃以下であり、500〜
1200℃で1000時間保持したときの寸法変化率が
±0.05%以下である。 好適な化学組成は、8.0〜20.5重量%のMgOと
、24.0〜45゜0重量%のAl、03と、40.5
〜61.0重量%の5in2と、2.0重量%未満のP
2O,とを含有するものである。 直径が5μm以上の細孔の総細孔容積は、通常約0.0
6cc/g以下である。 コージェライト相のMgはZn及びFeの何れか一方又
は双方により10モル%以下置換された鉄コージェライ
ト、亜鉛コージェライト又は鉄亜鉛コージェライトであ
っても良い。 本発明の低膨脹セラミックスは、7.5〜20重量%の
MgOと、22,0〜44.3重量%の^1203 と
、37.0〜60.0重量%の5io2と、2.0〜1
0.0重量%のP2O。 を含有する化学組成のパッチを調製し、調製したパッチ
をスリップキャスト等の鋳込み成形、押出成形等の可塑
成形、プレス成形等の加圧成形により任意の形状の成形
体とし、成形体を乾燥後、1250〜1450℃にて2
〜2h焼成し、この焼成体を酸処理して主としてP2O
5を選択的に除去し、酸処理後の焼成体を1150℃〜
焼成温度で熱処理することによって製造される。 P2O,として燐酸アルミニウム、燐酸マグネシウム、
燐酸亜鉛及び燐酸鉄から成る群から選択したP2O,源
を用いると好適である。 MgO、八1203及びSin□として、ブル−サイト
、マグネサイト、タルク、粘土、アルミナ及び水酸化ア
ルミニウムから成る群から選択したMgO源、^120
3源及びSiO□源の何れか一者以上を用いると好適で
ある。 MgO源の平均粒径は5μm以下であることが好ましい
。 (作 用) 本発明はコージェライト相中にP2O5を2〜lO重量
%、AlPO4として固溶させることにより、開気孔率
が15%以下の緻密質で低膨脹なコージェライト系セラ
ミックスを元にして、更に酸処理することによりP2O
,を選択的に除去して2重量%未満とし25〜800℃
の熱膨脹係数が2.OxlO−’/℃以下、開気孔率2
5%以下の緻密質低膨脹セラミックスが得られることを
新規に見出したことによる。更に熱処理することにより
、500〜1200℃で1000時間保持した時の寸法
変化率が±0.05%以下になることを新規に見出した
ことによる。パッチ中のP2O。 を2重量%以上と限定した理由は、それ以下では、緻密
化に充分な液相が生じないため緻密化しないためであり
、P2OSiO重量%以下に限定した理由は、それ以上
では、P2O,がAlPO4としての固溶限を超えてし
まい高膨張化するためである。酸処理後のP2O,を2
%未満としたのは、それ以上では酸処理による低膨脹化
の効果が充分に得られないためである。500〜120
0℃で1000時間保持した後の寸法変化率を±0.0
5以下としたのは、機械的部品として用いられた場合こ
れ以上の寸法変化をしたのでは、実使用上問題となるた
めである。 パッチの化学組成をMg07.5〜20重量%、At2
0322.0〜44.3重量%、SlO□37.0〜6
0重量%、P2DS2.0〜10.0重量%と限定した
理由は、この範囲を超えては、コージェライト相が充分
に生成しないため、高膨張化してしまうためであり、酸
処理後焼結体の化学組成をMg08,0〜20.5重量
%、A120324.0〜45.0重量%、810□4
0.5〜61.0重量%、P2O52重量%未満とした
のは開気孔率25%以下25〜800℃の熱膨脹係数が
2.OXl0〜6/℃以下の緻密化低膨脹セラミックス
とならないためである。 焼成温度が1250℃以下ではコージェライト相が充分
に生成せず、また1450℃より大では軟化変形してし
まう。同様に焼成時間が2hより短くてはコージェライ
ト相が充分に生成せず20h以上では温度にもよるが、
軟化による変形が起こる。 また残存している開気孔の直径が5μm以上の総細孔容
積を0.06cc/g以下に限定した理由は、加圧した
ガスのリーク量が開気孔率5μm以上の総細孔容積に依
存し、0.06cc/g以下にすることにより、従来の
コージェライトの半分以下のリー゛り量に抑制すること
ができるためである。 またコージェライト相2Mg0・2A1203・5Si
O□のMgは、10モル%まで、Znおよび/またはF
eで置換されていても本発明に規定するコージェライト
系セラミックスと同等の特性のコージェライト系セラミ
ックスを得ることができる。 熱処理時間を1150℃〜焼成温度に限定した理由は1
150℃未満の温度では、酸処理によって生じた焼結体
中の欠陥が消滅しないためであり、焼成温度より高温で
は、再結晶が起こって微構造が大幅に変化し所期特性が
得られないからである。 P2O5源を、リン酸アルミニウム、リン酸マグネシウ
ム、リン酸亜鉛、リン酸鉄から選ばれるリン酸塩化合物
一種または二種以上の組合せとした理由は、リン酸は液
体であるため混合が難しく、不均一になってしまうため
である。またリン酸ではコシエライトの生成温度以下の
低温で局所的に溶融して巨大なボアを生成してしまうた
めこれらの融点の比較的高く水等に不溶性のリン酸塩化
合物の形態で添加することが望ましい。 MgO、Al2O3、St口2源をブルーサイト、マグ
ネサイト、タルク、粘土、アルミナ、水酸化アルミニウ
ムから選んだ理由は、これらの原料から作られた、コー
ジェライト系セラミックスが特に低膨脹化するためであ
るが、さらにMgO源が酸化マグネシウム、SIO□源
がシリカ等から選定されても良い。 MgO源原料の平均粒径を5μm以下としたのは、コー
ジェライトセラミックスでは、焼結後MgO源原料粒子
の形骸ボアが残存して、開気孔の原因となるためMgO
源原料の平均粒径を5μm以下に限定することにより、
5μmより大きい開気孔を抑制することができ、本発明
の目的である、気密性の高いコージェライトセラミック
スが得られるためである。 (実施例)。 以下、本発明を例につきさらに詳細に説明する。 実施例1〜13と参考例14〜30 後掲の第1表に記載する調合割合に従って予め粒度調製
したブルーサイト、マグネサイト、タルク、アルミナ、
水酸化アルミニウム、粘土、燐酸アルミニウム、燐酸子
グネシウム、燐酸鉄を混合した。第1表に用いた原料の
化学分析値を示す。 この混合物100重量部に水5〜10重量部、澱粉糊(
水分80%)20重量部を加え、ニーグーで十分に混練
し、真空押出成形機にてピッチ1.0mn+、薄壁の厚
さ0.10mmの三角セル形状を有し、65mm四方長
さが120m1llのハニカム柱状成形体に押出した。 このハニカム成形体を乾燥後、第1表に記載した焼成条
件で焼成し、次いで硫酸、硝酸、塩酸などにて酸処理し
てP2O5を選択的に除去し、さらに1150℃〜焼成
温度で熱処理し、本発明の実施例1〜13と参考例14
〜30のコージェライト系セラミックハニカムを得た。 第1表に示した各種コージェライト系セラミツ。 クハニカムについて粉末X線回折によりコージェライト
結晶を定量し、25℃から800℃の温度範囲における
熱膨脹係数、開気孔率、水銀圧入ポロシメーターにより
セラミックハニカム薄壁部の直径5μm以上の細孔の縁
網孔容積と、加圧空気の薄壁からのリーク量を測定比較
した。加圧空気の薄壁からのリーク量はコージェライト
系セラミックハニカムの一方の端面に中央に20 mm
 X 20 +nmの正方形の穴を有する65X65m
mのゴム製パツキンを装着し、もう一方の端面に穴の無
い55X55mmのゴム製パツキンを装着密閉し、前記
ゴム製パツキンの穴に1.4kg/cnlの加圧空気を
導入し、加圧空気の流量を測定して単位面積当りの単位
時間当りのリーク量(kg/m2秒)とした。さらに5
mmX5mmX50しのセラミックハニカム試料を12
00tにて1000時間時間保持した後の寸法変化率を
マイクロメーターにて測定した。結果は第1表に示す通
りであった。結果の若干を第1〜6図にも示す。 第1表の実施例1〜13と参考例14〜30の結果及び
第1図から明らかなように、化学組成がMg07.5〜
20.0重量%、^120322. O〜44.3重量
%、Sin□37.0〜60.0重量%、PzOs2.
O〜10.0重量%である焼結体を酸処理することによ
り、化学組成がMg08. O〜20.5重量%、^1
20324. O〜45.0重量%、310240.5
〜61.0重量%、P2O52,0重量%未満であり、
結晶相の主成分がコージェライト相からなり、開気孔率
が25%以下で、25〜800℃の間の熱膨脹係数が2
.OXl0〜6/℃以下である低膨脹セラミックスが得
られた。第2図は実施例4と参考例14の調合物を第1
表に示した条件にて焼成した焼結体を95℃の1.5N
の硫酸にて酸処理したときの酸処理時間と重量減少率と
の関係を示す。第3図は実施例4の調合物を第1表に示
した条件にて焼成した焼結体を95℃の1.5N硫酸に
て酸処理したときの酸処理時間と各化学成分の減少率の
関係を示す。第4図は実施例4と参考例14の調合物を
第1表に示した条件にて焼成した焼結体を95℃の1.
5N硫酸で酸処理したときの酸処理時間と熱膨脹係数と
の関係を示す。同図から明らかなようにP2O,を含む
本発明の方が酸処理による熱膨脹係数の減少効果が著し
いことが判る。また、第4図より明らかなようにリーク
量と孔の直径が5μm以上の細孔の総細孔容積との間に
は高い相関が認められ、直径が5μm以上の細孔の総細
孔容積を0.06cc/g以下にすることによりリーク
量を通常のコージェライトの半分以下に低減することが
できた。さらに第5図より明らかなように:1150℃
〜焼成温度にて熱処理することにより、1200℃にて
1000時間保持した後の寸法変化率が±0.05%以
下に抑制され、気密性、耐熱衝撃性を要求される高温構
造材料として極めて優れた特性を有していた。第6図に
は実施例6、参考例14及び16の細孔径分布曲線を示
す。直径5μm以上の細孔の総細孔容積の小さい実施例
6にあっては、参考例14に比して第5図から明らかな
ようにリーク量が著しく低くなる。さらにリーク量を通
常のコージェライト以下に低減することができる。 第7図及び第8図は参考例14及び参考例23の微構造
組織をそれぞれ示していて、多孔質であり大きな気孔が
存在していることがわかる。また第9図は実施例4の微
構造組織を示し、上述した参考例に比べて大きな気孔が
少なく緻密質であることがわかる。また第10図は実施
例4に対するCuのにα線によるX線回折チャートを示
し、このチャートから主たる結晶相がコージェライト相
であることがわかる。 (発明の効果) 本発明はコージェライトの低膨脹性を維持しつつ、緻密
化し、高温時の寸法を安定化したもので、その応用範囲
はセラミックリジェネレータ−(CRG)にとどまらず
、広くセラミックレキ二ペレータ−(CRP) 、セラ
ミックターボチャージャー(CTR)用ハウジング、ガ
スタービン、原子炉炉材、種々の自動車部品例えばエン
ジンマフラー、エキゾーストポート、エキゾーストマニ
ホールド及び排ガス浄化触媒担体、熱交換体、その地気
密性を必要とする低熱膨張材として、充分な実用性を備
えている為、産業上極めて有用である。 4、図面の簡単な説明 第1図はコージェライト系セラミックハニカムのP2O
5含有量と開気孔率および熱膨脹係数の関係を示す特性
線図、 第2図は95℃、1.5N硫酸にて酸処理したときのセ
ラミックハニカムの重量減少率の時間依存性を示す特性
線図、 第3図は95℃で1.5N硫酸にて酸処理したときの各
成分の減少率の時間依存性を示す特性線図、第4図は1
.4kg/caf加圧空気のセラミックハニカム薄壁か
らのリーク量と孔径が5μ以上の細孔容積との相関を表
わす特性線図、 第5図は1200℃にて保持した時の寸法変化率の時間
依存性を示す特性線図、 第6図は細孔径分布曲線図、 第7〜8図は従来の低膨脹セラミックスの微構造を示す
拡大写真図、 第9図は本発明の低膨脹セラミックスの微構造を示す拡
大写真図、 第10図はX線回折チャートである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、P_2O_5を2%未満含有し、主たる結晶相がコ
    ージェライト相からなり、開気孔率が25%以下であり
    、25〜800℃の間の熱膨脹係数が2.0×10^−
    ^6/℃以下であり、500〜1200℃で1000時
    間保持したときの寸法変化率が±0.05%以下である
    ことを特徴とする低膨脹セラミックス。 2、化学組成で8.0〜20.5重量%のMgOと、2
    4.0〜45.0重量%のAl_2O_3と、40.5
    〜61.0重量%のSiO_3と、2.0重量%未満の
    P_2O_5とを含有する特許請求の範囲第1項記載の
    低膨脹セラミックス。 3、直径が5μm以上の細孔の総細孔容積が0.06c
    c/g以下である特許請求の範囲第1項または第2項記
    載の低膨脹セラミックス。 4、コージェライト相のMgがZn及び/又はFeによ
    り10モル%以下置換された特許請求の範囲第1項、第
    2項又は第3項記載の低膨脹セラミックス。 5、7.5〜20重量%のMgOと、22.0〜44.
    3重量%のAl_2O_3と、37.0〜60.0重量
    %のSiO_2と、2.0〜10.0重量%のP_2O
    _5を含有する化学組成のパッチを調製し、このパッチ
    を成形し、成形体を焼成し、焼成体を酸処理して主とし
    てP_2O_5を選択的に除去し、酸処理後の焼成体を
    1150〜焼成温度で熱処理することを特徴とする低膨
    脹セラミックスの製造方法。 6、P_2O_5として燐酸アルミニウム、燐酸マグネ
    シウム、燐酸亜鉛及び燐酸鉄から成る群から選択したP
    _2O_5源を用い、MgO、Al_2O_3及びSi
    O_2としてブルーサイト、マグネサイト、タルク:粘
    土、アルミナ及び水酸化アルミニウムから成る群から選
    択したMgO源、Al_2O_3源及びSiO_2源の
    何れか一者以上を用いる特許請求の範囲第5項記載の製
    造方法。 7、MgO源が平均粒径5μm以下である特許請求の範
    囲第6項記載の製造方法。
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