JPS63236759A - 鋳ぐるみ用セラミツク材料 - 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） 本発明は中空管状のセラミックをアルミニウム、鋳鉄な
どの溶融金属で鋳ぐるむ場合に使用するセラミック材料
、特にガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の排気
ボート内面をライニングするために用いられる鋳ぐるみ
用セラミック材料に関するものである。

（従来の技術） 近年自動車排ガスによる環境汚染が重要な社会問題とな
っており、自動車排ガス中の有害物質を触媒により除去
する方法が主体となっている。この触媒として使用され
ているＰｔ、　Ｒｈ等の貴金属は責源上、コスト上の問
題から使用量の削減が課題となっており、また近年増加
傾向にある４パルプエンジンは排ガス温度低下による触
媒浄化性能の低下が問題となっている。これらの問題を
解決する方法の１つにエンジンの排気ポートの内面をセ
ラミック製のポートライナーによってライニングし、そ
の断熱作用により排ガス温度を上昇させることが従来か
ら提案されている。一般にセラミックボートライナーの
装着についてはエンジンのシリンダーヘッドを製造する
際に、セラミック製のポートライナーをアルミニウム等
の金属によって同時に鋳ぐるむ方法が取られているが、
溶融金属の固化時の収縮により大きな圧縮応力が加わる
ため高強度セラミックス材料でも鋳ぐるみ時に部分的に
応力が集中するとセラミックが破壊してしまう問題があ
った。

一方、これまでに金属錫ぐるみに適用する中空管状のセ
ラミック材料として、特公昭４６−２６３３０号、特公
昭５１−１６１６８号、特公昭６０−５５４４号、特公
昭５６−７９９６号公報等に示されるものが提案されて
いる。

特公昭４６−２６３３０号の発明は、高強度のアルミナ
質や炭化珪素質よりなるセラミック表面を多孔質として
金属冷却時の収縮に合致させようとするものであるが、
このような複合材は潜在的に微細な亀裂を有する降伏状
態にあるので、エンジンのような激しい振動を伴う部分
に使用すると亀裂が進行し、耐久性が著しく劣化するお
それがある。

特公昭５１−１６１６８号の発明は、低弾性率を目標に
した断熱鋳物の製造法に関するものであるが、材質的に
は耐火物骨材とアルミナセメントよりなる可撓性のセラ
ミック半製品であり、弾性率は最小のものでも９５０ｋ
ｇ／ｍ”であってやはり鋳ぐるみ時の圧縮応力により破
壊するおそれのあるものである。

特公昭６０−５５４４号の発明は、チタン酸アルミニウ
ムにカオリン、ケイ酸マグネシウムを添加し、低熱膨張
性（熱シリンダ安定性）と高強度を目的としたものであ
る。しかし弾性率の最小値は８×１０’　Ｎ　／　ｍ　
”であり、鋳ぐるみ時の圧縮応力による破壊を完全に防
止することはできない。

特公昭５６−７９９６号の発明は、チタン酸アルミニウ
ムに対して５ｌｏｔ、Ｚｎ０ｍの添加により低熱膨張、
高強度の特性を与えたもので、これらの添加物によって
チタン酸アルミニウムの結晶粒子の成長を抑制している
。しかしこの発明にも前記した各公知発明と同様の欠点
がある。

更に以上の公知側以外にもセラミックの外周をセラミッ
クファイバー等でコートし金属による圧縮応力を緩和さ
せる試みも数多くなされているが、外周にコートするた
めの工数増からコストアップとなり、またセラミックフ
ァイバーの弾性が失われると、セラミック材料が抜は落
ちる等の重大な問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記したような従来の問題点を解決して、耐熱
性と耐熱衝撃性及び断熱性に優れるうえ、鋳ぐるみ時に
発生する圧縮力によりてもクランクを発生するおそれの
ない鋳ぐるみ用セラミック材料を目的として完成された
ものである。

（問題点を解決するための手段） 従来の研究は結晶粒を微細化すること等により強度の増
加を図る方向を目ざして進められているが、本発明者は
上記の課題を達成するために研究を重ねた結果、強度の
向上よりもヤング率の低下により、ポートライナーにゴ
ムのような弾性を持たせることによって金属による鋳ぐ
るみ時のクランク発生を防止できることを見出した０本
発明はこのような知見に基いて完成されたものであって
結晶相としてチタン酸アルミニウムを６５％以上含有し
、その結晶の平均粒径が１０ａｍ以上であり、ヤング率
を５０〜２０００　ｋｇ　ｆ／　ｗ　”　、圧縮強度を
５〜４０ｋｇｆ／ｗ”、気孔率を５〜３５％としたこと
を特徴とするものである。

本発明のセラミック材料を製造するには、まずアルミナ
、ローソーダアルミナ、仮焼ボーキサイト、精製ルチル
、粗製ルチル、アナターゼ型チタン、イルメナイト、フ
ェライトベンガラ、電融マグネシウム、マグネサイト、
電融スピネル、カオリン、石英、電融シリカ等から、化
学組成が重量％テＡｌｔｏｓ　４０〜６５％、ＴｉＯｘ
　３０〜６０％　テあり、ｓｉＯ２、ｌ’１ｇｏ　、　
Ｆｅｘｅ３の少なくとも１種が総計で１０％以下となる
ように原料を選択する。これに水ガラス、ポリカルボン
酸アンモニウム塩、アミン類、ピロリン酸ナトリウム等
から選択された解膠剤を０．１〜１．０％添加し、更ニ
ＰＶＡ　、　ＭＣ，ＣＭＣ、７クリル酸塩等から選択さ
れたバインダを１．０〜５．０％添加して１５〜４０％
の水とともにトロンメル、ポットミル等で十分に混合攪
拌して２００〜１０００ｃｐの粘度のスラリーを調整す
る。このようなスラリーは流し込み法によって円筒形又
はポートライナーの形状に成形されたうえで乾燥、焼成
される。この結果、結晶相としてチタン酸アルミニウム
を６５％以上含有し、その他の結晶相としてルチル、コ
ランダム、ムライトの少なくとも一種を含む耐熱性と耐
熱衝撃−性及び断熱性に優れたチタン酸アルミニウム焼
結体が得られるのであるが、本発明においては、この焼
成の際の条件を例えば１４５０〜１６５０℃、好ましく
は１５００〜１６００℃で１〜１６時間程時間膜定する
ことにより、チタン酸アルミニウムの結晶を従来の常識
に反して平均粒径が１０μ−以上となるまで十分に成長
させる。チタン酸アルミニウム結晶の各軸方向の熱膨張
率は、ａ、ｂ軸が正、Ｃ軸が負であり、かつその差が非
常に大きいため焼結体冷却時に結晶粒界や結晶それ自体
が、各軸方向の膨張収縮差に耐えきれず、結晶粒間や結
晶粒内に多数のマイクロクランクを生ずることとなる。

チタン酸アルミニウム結晶の粒子を１０８ｍ以上に成長
させるとマイクロクランクの頻度、大きさが著しいヤン
グ率低下に対応することが判明した。従ってこのような
結晶粒成長の結果、結晶粒間及び結晶粒内に極めて多数
のマイクロクランクが生ずることとなり、外力によって
これらのマイクロクランクの内部空間が接近したり離間
する性質を持つため、得られたセラミック材料にヤング
率が５０〜２０００ｋｉｒｆ／ｗ”　、圧縮強度５〜４
０ｋｇｆ／ｍ重、気孔率５〜３５％の物性値を持たせる
ことができる。このような低ヤング率のセラミック材料
は鋳ぐるんだ金属材料が収縮する際に金−材料とともに
収縮することができ、特に従来の高強度高ヤング率セラ
ミックでは応力の集中により破壊してことがない。従っ
て円筒タイプのポートライナーはもちろんのこと第１図
及び第２図に示すような４パルプエンジン用のシリンダ
ー側に２本のポート（２）を有し、エギゾーストマニホ
ールド側に単一の排気口（１１を有する複雑形状なポー
トライナー（３）にも好適である。またこの焼結体中の
マイクロクランクにより熱伝導率が低くなり、比較的気
孔率が小さくても十分な断熱効果が発揮される。

チタン酸アルミニウムは１７００℃以上の融点を有する
ため、鋳ぐるむための溶融金属は特に制限はなくネズミ
鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄、アルミニウム合金、銅合
金、マグネシウム合金、亜鉛合金による鋳ぐるみに適用
できる。

なお数値限定の理由は次のとおりである。まず結晶相中
のチタン酸アルミニウムの割合を６５％以上とし、平均
粒径を１０μ−以上としたのは、これらの条件を外れた
場合にはヤング率を十分に低下させることができず、本
発明の目的を達成できないからである。ヤング率を５０
〜２０００　ｋｇ　ｆ／　ｖａ　”　としたのは、５０
ｋｇｆ／ｍ”未満のものは製造が困難であり、２０００
　ｋｇ　ｆ／　ｔｍ　”を越えるものは従来品と同様に
クランクを生じ易い傾向を生ずるからで、特にヤング率
は５０〜２００１ｇｆ／ｍ”　の範囲とすることが最も
好ましいものである。圧縮強度を５〜４０ｋｇｆ／ｎ＋
”としたのは、５ｋｇｆ／鶴２以下では鋳ぐるみの際に
変形のおそれがあり、また取扱上の問題が生じ、逆に４
０１ｕｒＲｍ”を越えるとヤング率が２０００　ｋｇ　
ｆ／　ｗｍ　”を越えてしまうからである。また気孔率
を５〜３０％としたのは、５％未満では十分な断熱効果
が得られず、３０％を越すものは強度、ヤング率が本発
明の数値を外れてしまうためである。またセラミック材
料の組成でＡｌｚＯｓ　４０〜６５％、Ｔｉ０ｚ　３０
〜６０％としたのは、これ以外の組成ではチタン酸アル
ミニウムの結晶量が６５％以上とならず、またＳ、ｉ（
ｈ、？ＩｇＯ１Ｆｅｔｕｓの少なくとも１種が総計１０
％以下としたのは、１０％を越えると、同じくチタン酸
アルミニウムの結晶量が６５％以上とならず、そして／
または結晶粒径が１０μｍ以上とならないためである、
なお本発明のセラミック材料は２．ＯＸｌ０−’／’Ｃ
（４０〜８００℃）以下の熱膨張係数を持ち、また０、
８〜５、ＯＸ　１０−”ｃａ　ｌ　／　ｃｍ　・ｓｅｃ
　・’Ｃの熱伝導率を持つ。

これらの物性値は高温の排気ガスと直接接触するポート
ライナーに好適なものである。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） 次頁以下の表に示されるＮａ１−Ｎａ２５の組成となる
ように原料を調合し、鋳型に流し込んで肉厚３鶴、長径
６４難、短径３６ｆｉの楕円筒形状のテストピースを作
成した。各テストピースを表中に記した条件で焼成し、
得られたセラミック材料の特性を測定した０次に各テス
トピースに鋳砂を詰めた後にアルミニウムにより鋳ぐる
み、アルミニウム肉厚が７ｍの金属セラミック複合体を
作成した。鋳砂を除去した後にテストピースにクラック
が発生したか否かを確認した結果を最下段に示す。

このように、本発明の実施例のセラミック材料は鋳ぐる
みによるクランクの発生が全（認められなかった。

実施例 比較例 （発明の効果） 本発明は以上の説明からも明らかなように、金属鋳ぐる
みに好適な中空管状セラミックスの材料であり耐熱性と
耐熱衝撃性に優れるうえ、鋳ぐるみ時に発生する圧縮力
に応じて変形することによってクランク発生のおそれを
な（したものであるから、高温の排気ガスと接触するポ
ートライナーに好適なものである・、この鋳ぐるみ用セ
ラミックスの周囲にセラミックファイバー、等の緩衝材
を巻（場合にも緩衝材の弾性が失われず好ましいもので
ある。よって本発明は従来の問題点を解消したものとし
て、産業の発展に寄与するところは極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は４バルブエンジン用ポートライナーの斜視図、
第２図はエンジンヘッドに鋳ぐるみ後のボートライナー
の断面図、第３図は本発明のセラミック材料の電子顕微
鏡写真である。 第１図 ！ 第２図 第３図 手続補正書く方式） ％式％ ２、発明の名称　鋳ぐるみ用セラミック材料３、補正を
する者 事件との関係　特許出願人 住所　愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番５６号５、補正
命令の日付 ７、補正の内容 明細書第１６頁第１８行目に「電子顕微鏡」とあるを、
次のとおり補正する。 「結晶の構造を示す図面代用」 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶相としてチタン酸アルミニウムを６５％以上含
   有し、その結晶の平均粒径が１０μｍ以上であり、ヤン
   グ率を５０〜２０００ｋｇｆ／ｍｍ＾２、圧縮強度を５
   〜４０ｋｇｆ／ｍｍ＾２、気孔率を５〜３５％としたこ
   とを特徴とする鋳ぐるみ用セラミック材料。 ２、４０℃から８００℃までの平均熱膨脹係数が２．０
   ×１０＾−＾６／℃以下である特許請求の範囲第１項記
   載の鋳ぐるみ用セラミック材料。 ３、熱伝導率が０．８〜５．０×１０＾−＾３ｃａｌ／
   ｃｍ・ｓｅｃ・℃である特許請求の範囲第１項記載の鋳
   ぐるみ用セラミック材料。 ４、ヤング率が５０〜２００ｋｇｆ／ｍｍ＾２である特
   許請求の範囲第１項記載の鋳ぐるみ用セラミック材料。 ５、重量％でＡｌ＿２Ｏ＿３４０〜６５％、ＴｉＯ＿２
   ３０〜６０％であり、ＳｉＯ＿２、ＭｇＯ、Ｆｅ＿２Ｏ
   ＿３の少なくとも１種が総計で１０％以下の化学組成を
   持つ特許請求の範囲第１項記載の鋳ぐるみ用セラミック
   材料。 ６、チタン酸アルミニウム以外の結晶相が、ルチル、コ
   ランダム、ムライトの少なくとも一種よりなる特許請求
   の範囲第１項記載の鋳ぐるみ用セラミック材料。 ７、使用目的がエンジンポートライナーである特許請求
   の範囲第１項記載の鋳ぐるみ用セラミック材料。