JPS63139047A - セラミツクス焼成体 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は鋳ぐるみに適したセラミックス焼成体に関する
。

［従来の技術］ 従来より、セラミックス焼成体を金属で鋳ぐるむことに
より、断熱鋳物を得ようとする試みは種々行なわれてい
る。

管状セラミックス焼成体を金属で鋳ぐるむ際、一般にセ
ラミックスの熱膨張係数は金属の熱膨張係数より小さい
ため、セラミックスには圧縮力が、金属には引張力がか
かり、セラミックスまたは金属が破壊する恐れが大きい
。このような破壊を避けるために、特公昭５１−１８１
６８には特定のヤング率、曲げ強度、肉厚／内径比など
を備え、シリカ質またはアルミナ質の骨材とアルミナセ
メントからなる可撓性セラミックス成形体を用いること
により、セラミックスと金属との境−赤部に潜在的な亀
裂を発生することなくセラミックスの弾性限界内で鋳ぐ
るむことが提案されている。

しかし、上記方法では金属として球状黒鉛鋳鉄を用いた
場合には鋳ぐるみ条件いかんによっては鋳ぐるみ後のセ
ラミックスに亀裂が発生し、複雑形状部品を鋳ぐるむと
きにこの傾向が特に顕著となるものであり、そこで上記
方法において、可撓性セラミックス成形体に亀裂防止コ
ーティング剤を塗布した後、球状黒鉛鋳鉄で鋳ぐるむこ
とも提案されている（特公昭５８−３７２７７）、　Ｌ
かしこの方法では、コーティング剤塗布という工程を要
する上に、好適な鋳ぐるみ鋳物を得るにはコーティング
剤の厚さを０．２〜０．５ｍｍに制御しなければならな
い問題がある。

また、特公昭５Ｂ−３７０２１には、アルミナ賀、ムラ
イト賀、コージライト賀の管状セラミックス焼成体を鋳
ぐるむにあたり、鋳ぐるみ金属の収縮力によってこのセ
ラミックス焼成体の弾性限度を超え、かつ極限強さを超
えない範囲の圧縮応力をセラミックス焼成体に生じさせ
、セラミックス焼成体の組織全体にミクロクラックを発
生させて金属による圧縮応力を緩和する方法も提案され
ている。しかしこの方法では、ミクロクラックの存在に
よりセラミックス焼成体の強度低下を起こし、耐振動性
が劣るなどの難点がある。

ところで前記公知技術によって得られるセラミックス鋳
ぐるみ鋳物は管内に高温ガスを流して使用されることが
多い。この場合、ガス温度が急激に変動することが多く
、したがってセラミックス焼成体は耐熱衝撃性が高いこ
とが望ましい。このようなセラミックスとしてはβ−ス
ボジュメンやコージライトも知られているが、これらよ
りも耐熱性にすぐれるものとしてチタン酸アルミニウム
（アルチタと略記）も知られている。

特開昭５４−７７８０８には特定化学組成を有する粒度
０．８μｍ以下のケイ酸塩含右アルチタ焼成体が溶融ア
ルミニウムによる鋳ぐるみに使用できることが示されて
いる。しかしこのアルチタ焼成体の製造には粒度０．６
μｍという極めて微細な粉末を使用するので、かなりな
粉砕工程を要するとともに、焼成体の熱伝導率が１〜３
　Ｗ／ｍ／にと大きく、充分な断熱性能が得られない。

［発明の解決しようとする問題点コ 本発明はこうした耐熱性と耐熱衝撃性にすぐれるアルチ
タの特性を活かし、従来技術の前述の欠点を解決し、断
熱性にすぐれ、充分な強度を有する鋳ぐるみに適したセ
ラミックス焼成体を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のセラミックス焼成体は粒径７４μ層以下が２０
〜７０重量％１粒径２１０μ腸以下が３０〜１００重量
％、粒径５００μｍ以下が４０〜１００重量％１粒径２
０００μｍ以下が１００重量％である累積粒度分布を有
するチタン酸アルミニウム質粉末７５〜９８重量部と、
珪酸アルカリ、珪ジルコン酸アルカリ、アルミン酸アル
カリ、アルミナゾルおよびシリカゾルから選ばれる一種
または二種以上２〜２５重量部とを配合した成形体を焼
成してなることを特徴とする。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明に用いられるアルチタ質粉末は単なるＡ　Ｉ２０
３　とＴ　ｉＯ＋の等モル混合物ではなくて、耐熱性と
耐熱衝撃性を備え、少なくとも大部分がアルチタとして
の結晶構造を有するようなセラミックス粉末である。し
たがって化学分析的にＡ　１２０３分とＴｉ０２分との
モル比が１＝１のものに限られず、例えば１：０．８〜
１　：　１．２の範囲のものも包含される。ざらに化学
分析的にＡ　Ｉ２０３分、７１０２分以外の成分として
Ｓ　Ｉ０２分をはじめとして、例えばＬｉ、Ｎａ、に、
Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｚｒ。

Ｃｒ、Ｆｅといった金属の酸化物分の適宜量が、アルチ
タの物性向上の目的のため、あるいは不可避的不純物な
どとして含有されていてもよい。

本発明ではこうしたアルチタ質粉末として特定のね変分
布のものを採用することが重要であり、種々検討の結果
、アルチタ賀粉末の累積粒度分布を、粒径７４μｍ以下
が２０〜７０重量％、粒径２１０μｍ以下が３０〜１０
０重量％、粒径５００μ−以下が４０〜１００重量％、
粒径２０００μｍ以下が１００重量％とすることにより
、球状黒鉛鋳鉄は勿論のこと、各種の鋳ぐるみ用金属に
対して亀裂を発生させることなく鋳ぐるみが可能なセラ
ミックス焼成体が得られることが見出された。このよう
なアルチタ賀粉末を採用することにより、得られるセラ
ミックス焼成体はその表面に亀裂防止コーティング剤を
塗布する必要もないし、単純形状のみならず、複雑形状
のセラミックス焼成体も鋳ぐるみ可能であり、さらに鋳
ぐるみ時にセラミックス焼成体にミクロクラックも発生
しないので耐振動性に優れていることも確認された。ま
た本発明のセラミックス焼成体は充分小さな熱伝導率を
備えている。

上記した粒径分布範囲外では鋳ぐるみ時にセラミックス
焼成体に亀裂が発生した。この理由については次のよう
に考察する。

一般にセラミックス焼成体はヤング率が低下するにした
がい、圧縮強度も小さくなる。たとえばアルミナ焼成体
の場合、緻密なものに比べて粗粒配合のものはヤング率
が約％に低下し、圧縮強度も約１／１０に低下する。し
かし本発明のアルミナ焼成体はｍ密なものに比べてヤン
グ率が約１７１０に低下しているにもかかわらず、圧縮
強度はほとんど低下していないことが判明した。かくし
て本発明の焼成体はヤング率が２０００ｋｇ／■２以下
と充分低く、かつ、圧縮強度が８ｋｇ／ｍ＋ｓ２以上と
充分高いために上述の如く亀裂が発生しない。

アルチタ質粉末の粒度分布を、粒径７４μｍ以下が２０
〜５０重量％、粒径２１０　μｍ以下が４０〜１００重
量％、粒径５００μｍ以下が１００重量％とすることに
より、ヤング率が３５０〜５００ｋｇ／ｍｍ２　とさら
に低下し、かつ、圧縮強度が１２〜２０ｋｇ／ｍｍ２と
さらに高くなり、特に鋳ぐるみ性が向上して好ましい、
すなわちセラミックス焼成体としてより大寸法のものが
採用でき、より複雑形状のものが採用でき、セラミック
ス焼成体や鋳ぐるみ金属の種類や肉厚をより広い選択幅
で採用できるなどの利点を有する。

また、アルチタ質粉末の最大粒径を５００μｍ以下とす
ることにより、得られる焼成体の焼肌の表面性状は表面
粗度Ｒｍａｘ　Ｏ，３１１１１以下となって好ましく、
また加工精度もＲ□、　０．５ｍｍ以下にできることと
なって加工性能の点でも好ましい。

本発明のセラミ−７クス焼成体は、上述した粒度分布の
アルチタ質粉末７５〜９８重量部と、珪酸アルカリ、珪
ジルコン酸アルカリ、アルミン酸アルカリ、アルミナゾ
ルおよびシリカゾルから選ばれる一種または二種以上２
〜２５重量部とを配合した成形体を焼成してなる。

ここで珪酸アルカリとは、珪酸ナトリウム、珪酸カリウ
ムなどの珪酸のアルカリ金属塩を指し、同様に珪ジルコ
ン酸アルカリ、アルミン酸アルカリはそれぞれ珪ジルコ
ン酸、アルミン酸のアルカリ金属塩を指す。これらのア
ルカリ金属塩のうちでは入手の容易さや各種グレード品
が揃っていることなどからナトリウム塩またはカリウム
塩、特にはナトリウム塩の採用が好ましい。

アルカリ金属をＭで示すと、珪酸アルカリ、珪ジルコン
酸アルカリ、アルミン酸アルカリ、アルミナゾルおよび
シリカゾルは代表的にはそれぞれ次の組成式で示される
。

Ｍ２Ｏ１ｓｉ０２　・ｎＨ２Ｏ （ｍ：１．５〜４．５．ｎ：１〜１４）Ｍ２Ｏ・＋ｗＳ
ｉ０２−ｎＺｒ０２・ｐＨ２０（ｍ：１〜２．ｎ：１〜
２．ｐ＋４〜２０）Ｍ２Ｏ・５Ａ１２０３・ｎＨ２Ｏ （謙：１〜３．ｎ：５〜２０） Ａ１２０３・履Ｈ２０ （ｍ：ＩＯ〜１００　） Ｓ　ｉ０２・ｎＨ２Ｏ （ｍ：３〜１２） 本発明では上記物質のアルチタ質粉末に対する配合割合
は８２０分を控除して金属酸化物の重量に換算した値を
用いるものとする。

上記物質は、本発明セラミックス焼成体においてアルチ
タ質粉末の結合剤として機能している。さらに上記物質
の配合は次のような利点がある。

１、アルミナセメントなどのセメント系結合剤に比べて
、一般にヤング率の低いセラミックス焼成体が得られる
。

２、アルミナセメントなどのセメント系結合剤を用いる
と養生に関する温度、湿度、時間などの制約が大きいが
、上記物質を用いるとかかる制約が大幅に緩和される。

３、特にゲル化促進剤および／または硬化剤を併用する
と、成形時にわずかの加熱ですみやかに硬化するので、
量産化に適している。

４、上記物質としてアルミナゾルおよび／またはシリカ
ゾルのみを用いると、得られるセラミックス焼成体はア
ルカリ金属分を含まないので。

耐熱性、化学的安定性が特にすぐれる。

アルチタ質粉末と上記物質との配合割合が上記範囲外で
あると、セラミックス焼成体のヤング率が高すぎたり、
圧縮強度が小さすぎたりして、鋳ぐるみ時に亀裂が発生
することが多い。

好ましくはアルチタ質粉末８０〜８０重量部と上記物質
１０〜２０重量部の配合とされる。

上記物質の配合にあたっては、粉末状の上記物質を採用
してもよいし、適当量の水分を含有している液体状ない
しはスラリ状の上記物質を採用してもよい。

ゲル化促進剤としてはホルムアミド、アンモニア水など
が挙げられ、硬化剤としてはアルミナセメント、リン酸
／トリポリリン酸ナトリウム混合物、リン酸／グリオギ
ザール混合物、醸化亜鉛などが挙げられる。ゲル化促進
剤および／または硬化剤の配合量は、珪酸アルカリなど
の上記物質１００重量部（８２０分を控除して金属酸化
物の重量に換算した（ｌに対し、０．５〜１０重量部（
アンモニア水など水分を含むものにあっては水分を控除
した重量に換算した値）が好ましい。また炭酸ガスも硬
化剤として採用でき、これを用いる場合には、アルチク
質粉末／上記物質の混合物スラリからの成形時に、硬化
が起きるまで吹き込むのがよい。

このようなアルチタ質粉末と上記物質との配合物、好ま
しくはさらにゲル化促進剤および／または硬化剤を添加
された配合物は、鋳込み成形、スリップキャスト成形、
プレス成形、テープ成形などの成形法によって所定形状
に成形され、ついで必要に応じてさらに硬化される。か
くして得られた成形体は例えば９００〜１５００°Ｃに
て焼成されて本発明のセラミックス焼成体を得る。

本発明のセラミックス焼成体は、球状黒鉛鋳鉄、アルミ
ニウム合金のみならず、ねずみ鋳鉄、銅合金、亜鉛合金
などによる鋳ぐるみにもほぼ同様に採用できる。

以下に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本
発明はかかる実施例に限定されるものではない。

「実施例」 鋳ぐるみ試験に供したセラミックス焼成体は第１図およ
び第３図に示す形状のものである。

第１図の直管は内径２５ｍｍ、外径３５ｍｍ、長さ１０
０■の円筒状である。第２図の曲管は内径２５＋ａ＋、
外径３５履鳳、屈曲角度６０度、軸線長さ約１９０ａ＋
ｍの屈曲円筒状である。鋳ぐるみ後の金属／セラミック
ス複合体は第２図および第４図に示す形状のものである
。どちらも金属部分の肉厚は５】層である。

試験に用いた原料の化学組成などはそれぞれ次の通りで
ある。（％は重量％） アルチタ：　Ａｌ２Ｏ３／Ｔｉ０２＝１／１　（モル比
）のＡ１２Ｔｉ０５８５％　５ｉ０２３．５％　Ｙ２Ｏ
３１％アルミナ：　Ａｌ２Ｏ３９９，５％　Ｆｅ２Ｏ３
０，０１％シリカ：　５ｉ０２９９％　Ｆｅ２Ｏ３０，
１％珪酸ナトリウム（ＳＮと略記）： Ｎ８２０１７％　５ｉ０２８１％　Ｈ２Ｏ２１％粉末状 珪ジルコン酸ナトリウム（ＺＮと略記）：Ｎａ２Ｏ１４
％　５ｉ０２３０％ ＺｒＯ２２５％　Ｈ２０書％ アルミン酸ナトリウム（ＡＮと略記）：Ｎａ２Ｏ１２％
　Ａｌ２Ｏ３４２％　Ｈ２Ｏ４５％シリカゾル（ＳＳと
略記）： ５ｉ０２３１％　８２０８８％ アルミナゾル（ＡＳと略記）： 市販品（Ａｌ２Ｏ３１０％　Ｍ２Ｏ８９％）を濃縮して
Ａｌ２Ｏ３３０％としたもの 骨材の粒度配合は第１表に示す各配合を採用した。

所定粒度配合・所定重量の骨材粉末と所定型ｆｆ１（Ｈ
２Ｃ分を控除した換算値）の結合剤との混合物に、酸化
亜鉛（ＳＮ、ＺＮ、ＡＮの場合）またはホルムアミド（
ＳＳ、ＡＳの場合）を結合剤（換算値）に対して０．５
〜１０重量％となるように添加し、さらに水を適宜量添
加し、よくかき混ぜてスラリ状調合物（このうち全８２
０分は１０〜３０重量％）を得た。この調合物を樹脂製
の所定形状鋳型に振動を加えながら流し込んだ。

１０分〜ｌＯ時間の養生後、離型して得られた成形体を
乾燥機にて乾燥し、中子を取り除き、電気炉内にて１４
００℃で焼成して上述の直管および曲管の焼成体を得た
。

ついでこれらの焼成体を鋳造用砂型にセットし、砂型と
セラミックス焼成体の隙間に溶融したアルミニウム合金
ＡＣ−４Ｇ　　（注湯温度？００℃）、球状黒鉛鋳鉄（
同１４００℃）を注湯して上述の金属／セラミックス複
合体を得た。

上述の直管、曲管とほぼ同様にして、３０Ｘ　３０Ｘ１
０ｍｍの焼成された試験片を作製し、圧縮試験（クロス
ヘッドスピードは０．５ｍｍ／ｗｉｎ　）における最高
圧縮強度を試験片の圧縮強度とした。ヤング率は同じ試
料について音波振動法で得た値を使用した。また同様に
して１０腸層径Ｘ１ｍｍ厚の焼成されたディスクを作製
し、レーザフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。あわ
せて、粒径ｌμ劇以下のアルミナ粉末またはアルミナ粉
末を圧縮成形し、気孔率１０％未満となるように焼成し
て得た緻密質焼成体についても同様にして圧縮強度、ヤ
ング率、熱伝導率を測定した。

本発明品を含む粗粒配合焼成体および緻密質焼成体の代
表例についてこれらの物性値を第２表に比較して示す。

第３表には骨材の種類、粒度配合および量、結合剤の種
類および量、圧縮試験結果、鋳ぐるみ試験結果を示す。

第１表　骨材の粒度配合（単位二重琶９６）第２表　粗
粒配合品とｍ密質品の比較 第３表 木鋳ぐるみ試験においてＸは球状黒鉛鋳鉄の場合、Ｙは
アルミニウム合金の場合を示す、Ａは亀裂なく良好であ
ったもの、Ｂは亀裂が発生したもの、Ｃはセラミックス
焼成体が破壊したものを示す。

木本ＳＮ：５Ｓ＝１　：　ｌ　（重量比）の混合物［発
明の効果］ 第２表、第３表からもわかるように、本発明焼成体は次
のような効果を奏する。

すなわち球状黒鉛鋳鉄、アルミニウム合金など各種の溶
融金属によって良好に鋳ぐるみができ、しかも鋳ぐるみ
に際して本発明の焼成体にはミクロクラック、亀裂など
の欠陥が発生しない、この焼成体は２０００ｋｇ／ｍｍ
２以下のヤング率と８　ｋｇ／ａ＋ｍ２以上の圧縮強度
を備えている。実用上は焼成体の形状、寸法や鋳ぐるみ
金属の種類、肉厚、さらには鋳ぐるみ条件などに種々の
バリエーションがあることを勘案するとヤング率では５
００ｋｇ／ａｍ２以下のもの、圧縮強度では１２ｋｇ／
ａｍ２以上のものが好ましい。

低いヤング率のものを得るには結合剤としてはアルミナ
ゾルが最も好ましく、次いでシリカゾルが好ましい。

本発明焼成体がこのように鋳ぐるみに好適なりフグ率、
圧縮強度を備え、さらには高い断熱性能すなわち低い熱
伝導率を備えることは、アルミナ質焼成体における緻密
質量と粗粒配合品の物性対比やアルチタ質緻密賀焼成体
の物性からは予想されないすぐれたものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の直管の断面図、第２図は第１図
の直管と金属との複合体の断面図、第３図は本発明実施
例の曲管の断面図、第４図は第３図の曲管と金属との複
合体の断面図である０図中、１．３はセラミックス焼成
体、２゜４は金属である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、粒径７４μｍ以下が２０〜７０重量％、粒径２１０
   μｍ以下が３０〜１００重量％、粒径５００μｍ以下が
   ４０〜１００重量％、粒径２０００μｍ以下が１００重
   量％である累積粒度分布を有するチタン酸アルミニウム
   質粉末７５〜９８重量部と、珪酸アルカリ、珪ジルコン
   酸アルカリ、アルミン酸アルカリ、アルミナゾルおよび
   シリカゾルから選ばれる一種または二種以上２〜２５重
   量部とを配合した成形体を焼成してなることを特徴とす
   るセラミックス焼成体。 ２、特許請求の範囲第１項において、チタン酸アルミニ
   ウム質粉末の累積粒度分布は、粒径７．４μｍ以下が２
   ０〜５０重量％、粒径２１０μｍ以下が４０〜１００重
   量％、粒径５００μｍ以下が１００重量％であるセラミ
   ックス焼成体。