JPS62291539A - 機械的特性測定用治具 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミックスで構成された材料の高温での機
械的特性を評価するためのセラミックス製の治具に関す
るものである。

〔従来の技術］ 近年、高温材料の研究開発が盛んに行なわれるようにな
った。そのため、これらの材料の研究開発に於ては、材
料の高温での機械的な特性を評価することが重要な事で
ある。しかし、これまでの材料開発の歴史においては、
主に金属材料が対象であった。そのために酸化雰囲気で
の高温特性の評価に関しては、評価する材料および評価
装置の酸化の影響を考えて、８００℃程度迄の評価が中
心であった。この場合、評価用の治具は耐熱耐酸化性の
合金等が使用できた。しかし、１６００°Ｃ程度までの
高温になると金属材料自体が不活性雰囲気で使用される
ため測定用の治具もモリブデン、タングステン等の金属
が使用できた。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、酸化物や非酸化物などのセラミックスの高恩
での機械的特性の評価では、セラミックスの実際の使用
条件が酸化雰囲気で、かつ１０００℃以上というような
高温であることが多く、このような条件でセラミックス
を評価する為には、従来の金属製の治具は使用不可能で
あった。また不活性雰囲気で使用する場合でも加熱炉の
構造が複雑となるなどの問題点がある。その様なことか
ら酸化雰囲気で従来から使用されて来た治具には、アル
ミナ、炭化ケイ素等があった。しかし、アルミナは１０
００℃以上高温では強度が温度の上昇とともに低下する
ため、この様な高温で使用する治具としては満足出来る
ものではない。また、炭化ケイ素は１６００℃程度迄は
使用する事が強度的には可能であるが、１２００℃以上
になると表面から酸化が起こり、特に１４００℃以上に
なると、酸化が激しくなり表面にガラスが形成されるた
めに治具どうしが融若し、時として動かなくなるため使
用しずらい欠点がある。このために、炭化ケイ素を少な
くとも１４００°Ｃ以上で使用するためには不活性雰囲
気にしなければならない。この様な事から、事実上１４
゜００°Ｃ以上になると酸化雰囲気での評価は不可能で
あった。また、たとえ不活性雰囲気で使用するにしても
、装置自体も大掛かりなものとなるなどの問題点がある
。

［発明の目的コ 本発明の目的は、前述した治具の不可能であった１００
０℃以上、特に１４００℃以上での酸化雰囲気でのセラ
ミックスの機械特性の評価を可能にした、新しいセラミ
ックス製の治具を提供することにある。

［問題点を解決するための手段および作用］本発明の高
温での機械的特性評価用治具は、特定の主としてムライ
ト質セラミックスからなることを特徴とするものである
。すなわち、本発明は、主としてムライト質からなるセ
ラミックスであって、アルミナとシリカの組成でＡｌ２
Ｏ３／ＳｉＯ１２０３　／　５ｉＱ２重量比６５／３５
〜８０／２０であり、かつアルミナおよびシリカ以外の
不純物の総量が酸化物換算で０．５重−％以下であり、
密度が２．９０以上であるセラミクスで構成された機械
的特性測定用治具を要旨とする。

従来から単味のムライト粒子は共有結合性が強いため、
温度の上昇にともなって強度の低下や変形を起こしにく
いと考えられていた。しかしながらこれまでの技術では
、ムライト粒子間に存在するガラス相を制御して高強度
の緻密なセラミックスを得ることができなかった。その
ために、ムライト粒子間に多量のガラス相が多量に存在
し、かつ天然原料に存在する不純物のため、このガラス
相が高温で強度の低下を来たす原因になっていた。

この本発明に用いたムライト質セラミックスは、この従
来のムライト質セラミックスとは異なり、ムライト粒子
間に存在するガラス相を制御し、更に高温強度に悪影響
を与えるナトリウムなどの金属不純物を減らしたムライ
ト質セラミックスである。この新しいムライト質セラミ
ックスは、室ンＲでの曲げ強度は３００から４００Ｍ　
Ｐ　ａあり、また、室温から１４００℃までの範囲で１
５０Ｍ　Ｐ　ａ以上あり、１３００°Ｃでも２５０Ｍ　
Ｐ　ａあり、最大６００Ｍ　Ｐ　ａにもなる場合がある
。この様な優れた機械的特性が、本発明者らが使用した
ムライト質セラミックスの特徴であり、このものを使用
したことが本発明の目的の達成を可能にした。

以下、本発明を具体的な治具の製造法を例にして、説明
する。

まず、セラミックス治具を得るためのムライト粉末の合
成は、次のとおりである。

所定のムライト組成になるようにアルミナとシリカの粉
末を秤量し、ボールミルなどを用いて十分に混合し、通
常１０００℃以上で焼成しムライト粉末を得る。使用す
るアルミナとシリカの粉末は、てきるだけ微粉末である
ことが望ましく通常１μｍ程度以下であるほうがよい。

しかしながら、本発明で使用するムライトセラミックス
は、ガラス相の含有量が制御されていることが重要であ
るため、粉末中でアルミナ成分とシリカ成分が十分均一
に混ざりあってることが必要となる。この様なことを考
えると、粉末の合成法としては、アルミナとシリカの成
分を含んだ水溶液や有機溶液などの均一溶液から、合成
する湿式法がこのましい。

このアルミナ成分としては、水溶性アルミニウム塩、ア
ルミナゾル、アルキルアルミニウム等が用いられ、また
シリカ成分としては、シリカゾル、四塩化ケイ素、エチ
ルシリケートなどの有機ケイ素化合物等が用いられる。

この様な湿式法では、加水分解、中和、蒸発乾固、噴霧
熱分解などによって沈澱もしくは固形物をえたのち、８
００から１５００℃で焼成し、ムライト粉末を得る。こ
れらの粉末混合および湿式法のいずれによる場合も、後
述の焼結体中の（すなわち、混合粉末中の）Ａｌ２Ｏ３
／ＳｉＯ１２Ｑ＊／　８１０□重量比が８５７３５〜８
０／２０となるように、かつ、その中の不純物含有量が
酸化物換算で０．５重量％以下となるように、純度の高
い原料を使用し、かつ、原料の２比を調整しなければな
らない。このようにして得られたムライト粉末を十分に
粉砕する。

この様な湿式法で合成された原料粉末は、焼成温度によ
ってムライト粉末になっている場合となっていない場合
があるが、焼結体をつけるためには、８００から１５０
０℃で焼成していればなんら問題はない。いずれの場合
の粉末でもＭイオンとｓ１イオンは、少なくとも数百オ
ングストローム程度までは均一に分散している。この様
な原料粉末を用いてムライトセラミックスを製造した場
合、状態図上での平衡状態の組織を持った焼結体を得や
すい。このことが、本発明に使用可能なムライトセラミ
ックスが得られる理由である。しかし、この均一性の良
くない従来の天然原料を使用したムライトセラミックス
では、以下に説明するような組織を持ったセラミックス
は、得る事が出来ない。

Ｍ　２０３　／　Ｓ１０．重量比６５１３５〜８ｏ１２
ｏノ粉末を用いて１７００℃、３時間焼結した場合のム
ライト焼結体の組織に付いて説明する。ムライト焼結体
の平均組成は、粉末の組成と同じである。しがし、その
焼結体内部を微視的に分析した場合、必ずしも均一な組
成には成ついない。これは、状態図からも予想出来る事
である。Ｍ２Ｏ３／５ｉ０２重量比６５／３５〜８０／
２０のムライトセラミックスでは、３種類の組織を持っ
た組成範囲に区別される。これらは、約６５から７３重
量％、約７３から７６重量％、約７Ｂから８０重−％の
アルミナ含有量の領域で区別され、それぞれの領域のム
ライトセラミックスの組織は、ムライト粒子とガラス相
、ムライト粒子単−相、ムライト粒子とアルミナ相から
成る領域から出来ている。そして、このガラス相の存在
する組成では、柱状や針状をしたムライト粒子が多く含
まれ、ガラス相の含有量は、アルミナが約６５重量％含
まれるとき、約１５重量％程度含まれ、アルミナの増加
とともに減少してゆく。しかし、ムライト粒子単−相、
及びムライト粒子とアルミナ相から成る領域では、ムラ
イト粒子の形状は等方的であり。

アルミナ相の含有量は、アルミナが約８０重量％含まれ
るとき、約１８重量％程度含まれ、アルミナの減少とと
もに減少してゆく。この様に粉末の組成によって、ムラ
イトセラミックスを構成する相の様子は変化するが、い
ずれの場合でも、ムライトセラミックス中のムライト粒
子の組成は、アルミナ含有量で表わすと、はぼ７０から
７６重量％に成っている。この組成の幅は、ムライト粒
子のアルミナ含をｍに固溶範囲があるためである。この
様に粉末の組成に対応して、ムライトセラミックスの微
細組織及び組成は変化するが、必ずしもセラミックスが
平衡状態に達しているとは限らず、そのような場合は、
ガラス相が少なめに存在することもある。また、焼結す
る温度、時間によっても組織は異なり、高温で焼結する
ほどガラス相の量は増加し、アルミナの量は減少する。

そして、ガラス相の量によってムライトセラミックスの
高温特性は影響を受ける。高温強度の低下を極カ抑える
ためにガラス相は１５重量％以下に、アルミナ相は２０
市量％以下であることが望ましい。又、ムライトセラミ
ックス中に含まれる不純物の含ｋＱは、ムライトセラミ
ックスの特性を支配するさらに！］ｌｆ要な因子であ、
る。これは、ムライトセラミックス中にガラス相が含ま
れる場合、不純物がガラス相に溶けてガラス相の高温で
の粘度を著しく低下させ、ムライトセラミックスの高温
強度を低下させるからである。ＮａＸＣａ５Ｍｇなどの
アルカリ金属及びアルカリ土類金属の化合物がとくに好
ましくない。その含有量は、酸化物として、通常は０．
５重量％以下、好ましくは、０．３重量％以下である。

次ぎに、治具の装造法であるが、このようにし得られた
ムライト粉末を使用して、所定の治具の形状に成形する
。成形方法は、鋳込み成形法、プレス成形法、射出成形
法などの通常の成形方法が用いられる。この成形体を、
１５００から１８００°Ｃの範囲のいずれかで焼結しム
ライトセラミックスを得、更に研削などによって寸法を
ととのえることによって、密度　２．９０ｇ／ｉ以上の
本発明の治具をえる。ムライトセラミックスが所定の強
度を得るために密度が２．９０ｇ／ｃ１ｄ以」二あるこ
とが必要である。

このようにして曲げ強度が、室温から少なくともｌ　４
　ＣＪ　Ｏ’Ｃまでの範囲で　１５０ＭＰａ以上あるム
ライトセラミックスかえられる。これは、治具として使
用するために必要な強度である。実施例の結果を示す図
１に組成と強度の関係を示した。本発明で用いるムライ
トセラミックスは、この様に、室温から高温まで強度の
低下を示さない特性を持つている。

ここで述べたムライト粉末の組成分析は、重量分析など
の手法で分析可能である。一方、ムライトセラミックス
中のガラス相の量は、セラミックスを０．１關程度に粉
砕し、濃度１重量％めフッ酸に０°Ｃで２４時間浸けて
、ガラス相を溶解し、その重量減少から求める。または
、セラミックスの研磨面をフッ酸または、苛性ソーダ等
でエツチングし走査型電子顕微鏡でエツチングされたガ
ラス相の面積を求めることのよって得られる。一方、ム
ライトセラミックス中のアルミナの含有量は、Ｘ線回折
法を用いて以下の計算式と検量線を用いて求めた。

Ｉ　　（Ａ／Ａ＋Ｂ）− ｒ　　（ｏ２４）／ＩＩ　　（０２４）　±Ｉ　　（３
２１，４２０）］ａ　　　　　　　　　　　　　　　　
ａ　　　　　　　　　　　　　　　　ｍＴ　（Ａ／Ａ＋
）ｔ）　　、回折強度で表したアルミナの含有量Ｉ　　
（２４０）　　、α−アルミナの（２４０）面の積分強
度１　　（３２１，４２０）　　；ムライトの（３２１
）面と（４２０）面の積分強度の和 上式から求めたムライトセラミックスのＩ　（Ａ／Ａ＋
Ｍ）の値を検量線と比較することによってアルミナの含
有量は求まる。

［実施例］ 本発明を以下実施例によって具体的に説明するか、本発
明はこれらに限定されるものではない。

実施例１−４ 硝酸アルミニウム水溶液（／’Ｊ２２０３換算含有量９
０ｗｔ％）　８００　ｇとシリカゾル水溶液（Ｓｉ０２
換算含を量２０．０ｗｔ９６　）　　１４０　ｇを混合
し、５１に希釈した。

この配合の組成は、ｔＪｌ　２０３　／　５ｉ０２市量
比７２７２８のムライトになるように調製した。この水
溶液に撹拌しながらアンモニア水を加え、生成したゲル
状態の沈澱物を濾過し、２０°Ｃで２０時間乾燥した。

この乾燥物を１４００°Ｃ１１時間焼成した。この粉末
をエタノールを用いて振動ボールミルで８時間粉砕し、
乾燥後成形用粉末とし、静水圧２．Ｏｔ／ｃＪで加圧成
形をおこない、１６５０°Ｃ，４時間焼成をおこない、
幅４ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ４０　ｍｍのテスト月俸１
００本を製造した。又図２に示した、機械的特性評価用
治具を同様な製造条件で作成した。ここで作成したテス
ト月俸を用いて、図１に示した様に室温から１４００℃
迄の３点曲げ強度をＮｌ定した。その結果、この温度範
囲内で２５ｋｇ　／　＃１以上の強度を示した。更に、
実施例２−４として、組成の異なった粉末を用いて、実
施例１と同様の評価をおこなった。この結果も図１に一
緒に示した。又、表１にこれらのムライトセラミックス
諸特性を示した。いずれの例でも、ナトリウム化合物以
外の不純物は、はぼＴｌＯ２が１１０００ｐｐ、　　Ｆ
ｅ２ｏ３が２４０１）Ｉ）［＋１およびＣａＯが２８０
ｐｐｍ程度含まれていた。上記の曲げ強度の測定は、Ｊ
ＩＳの規定に準じた物である。

また、実施例１の治具は、酸化雰囲気下１６００°Ｃで
も十分使用に耐えるものであった。

実施例５−１０ 実施例１と同様な手法を用いて、組成の異なったムライ
ト粉末を合成し、表１に示した条件で焼結しムライトセ
ラミックスを得た。このものについて特性の評価を行い
表１に示した。これらのムライトセラミックスを使用し
て、図２に示した治具を作製した。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように、優れた特性を持つムラ
イトセラミックスを使用することによって、高温での機
械的特性評価用治具を得たものである。この発明によっ
て、高温のおいて酸化雰囲気で、特にセラミックス材料
の機械的特性の評価に絶大なる効果を示す。

ここで述べた評価用治具には、曲げ強度測定用以外に引
張り強度、クリープ強度、疲労強度など以外に広範な測
定用の治具として使用できる。

【図面の簡単な説明】

図１は、実施例１〜４でえたテスト相棒の各混成におけ
る３点曲げ強度を示すグラフである。 図２は、実施例１〜１０において作製した３点曲げ強度
Ｍ１定用治具の立面図である。 図中の符号 １：３点曲げ強度測定用治具本体 ２：カバー ３：支点 ４：加圧用ウッド ５：テストサンプル 特許出願人　東洋費達工業株式会社 ３点曲げ強度（Ｍ　ｐ　ａ） 図２

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）主としてムライト質からなるセラミックスであっ
   て、アルミナとシリカの組成でＡｌ＿２Ｏ＿３／ＳｉＯ
   ＿２重量比６５／３５〜８０／２０であり、かつアルミ
   ナおよびシリカ以外の不純物の総量が酸化物換算で０．
   ５重量％以下であり、密度が２．９０以上であるセラミ
   クスで構成されたことを特徴とする機械的特性測定用治
   具。
2. （２）セラミックス中のガラス相の含有量が１５重量％
   以下である特許請求範囲第１項に記載の機械的特性測定
   用治具。
3. （３）セラミックス中のアルミナ相の含有量が２０重量
   ％以下である特許請求範囲第１項に記載の機械的特性測
   定用治具。