KR20070030311A

KR20070030311A - 소성로 및 상기 소성로를 이용한 세라믹 부재의 제조 방법

Info

Publication number: KR20070030311A
Application number: KR1020077002587A
Authority: KR
Inventors: 다까미쯔 사이죠오; 유우이찌 히로시마; 고오지 히구찌
Original assignee: 이비덴 가부시키가이샤
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN1973171B; EP1657511A4; DE602005003538D1; JPWO2006016430A1; EP1657511B1; US20070202455A1; EP1657511A1; KR100842594B1; PL1657511T3; CN1973171A; DE602005003538T2; WO2006016430A1; US7491057B2

Abstract

본 발명은 단열층의 단열 성능에 큰 저하가 생기지 않고, 단열층이 2개로 나누어지거나 벗겨져 떨어지는 일이 없어 장기간에 걸쳐서 내구성, 열효율이 우수한 소성로를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이고, 본 발명의 소성로는 소성용 성형체를 수용하는 공간을 확보하도록 형성된 머플과, 상기 머플의 외측에 배치된 히터 또는 히터의 역할을 하는 발열체와, 상기 머플과 히터를 포함하도록 설치된 복수의 단열층을 구비한 소성로이며, 상기 단열층은 탄소제이고, 탄소제의 고정구로 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.

단열층, 고정구, 소성로, 머플, 히터, 성형용 지그

Description

소성로 및 상기 소성로를 이용한 세라믹 부재의 제조 방법 {FIRING KILN AND PROCESS FOR PRODUCING CERAMIC MEMBER THEREWITH}

본 출원은 2004년 8월 10일에 출원된 일본 특허 출원 제2004-233626호를 기초 출원으로 하여 우선권 주장하는 출원이다.

본 발명은 세라믹제 벌집형 구조체 등의 세라믹 부재의 제조시에 사용되는 소성로 및 상기 소성로를 이용한 세라믹 부재의 제조 방법에 관한 것이다.

버스, 트럭 등의 차량이나 건설 기계 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화용 벌집형 필터나, 촉매 담지체가 다양하게 제안되어 있다.

이와 같은 배기 가스 정화용 벌집형 필터 등으로서, 매우 내열성이 우수한 탄화규소 등의 비산화물계 세라믹 다공질체로 이루어지는 벌집형 구조체가 이용되고 있다.

종래, 예를 들어 특허문헌 1이나 특허문헌 2에는 이러한 종류의 비산화물 세라믹제 부재를 제조하기 위한 소성로가 기재되어 있다.

이와 같은 비산화물 세라믹 등을 제조하는 소성로는 노내에 머플이나 히터 등을 구비하는 동시에, 머플 및 히터를 내부에 포함하도록 설치된 단열 부재로 이 루어지는 단열층을 구비하고 있다.

이와 같은 소성로에서는, 단열층이 복수의 층에 의해 구성되고, 이들 단열층은 고정구에 의해 고정되어 있다. 그리고, 이 고정구에는 예를 들어 내열성이 우수한 카본이 이용되고 있다. 단열층에 관하여, 내측의 층에는 고온에서의 내열성이 우수한 카본이 이용되고 있지만, 최외층은 내측의 층에 비해 온도가 저하되므로 카본 이외의 재료를 이용한 층이 형성되어 있고, 예를 들어 알루미나 파이버 등의 세라믹 파이버로 이루어지는 층(이하, 세라믹 파이버층이라 함)이 설치되어 있는 것이 많다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2001-48657호 공보

특허문헌 2 : 일본 특허 공개 소63-302291호 공보

그러나, 상기 소성로에서 탄화규소로 이루어지는 다공질 세라믹 부재를 제조할 때에는 탈지 후의 성형체를 1400 ℃ 이상의 고온으로 가열 및 소성하므로, 소성로 내에 잔존하고 있던 산소나, 성형체로부터 발생하는 산소, SiO 가스 등이 단열층과 반응하여 단열층의 단열성이 저하되어 간다.

이와 같이 단열층의 단열성이 저하되면 최외층의 온도가 상승하므로, 세라믹 파이버 자체에 연화 등이 발생하여 변형되고, 단열층으로서의 기능이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 세라믹 파이버와 복수의 단열층을 고정하는 고정구와의 반응이 진행되어 고정구에 균열이 생기거나, 단열층이 파손되어 2개로 나누어져 버리거나, 벗겨져 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 과제에 비추어 이루어진 것으로, 단열층의 단열 성능에 큰 저하가 생기지 않고, 단열층이 2개로 나누어지거나 벗겨져 떨어지는 일이 없어, 장기간에 걸쳐서 내구성, 열효율이 우수한 소성로 및 상기 소성로를 이용한 세라믹 부재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 소성로는 소성용 성형체를 수용하는 공간을 확보하도록 형성된 머플과, 상기 머플의 외측에 배치된 히터 또는 히터의 역할을 하는 발열체와, 상기 머플과 히터를 포함하도록 설치된 복수의 단열층을 구비한 소성로이며,

상기 단열층은 탄소제이고, 탄소제의 고정구로 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 소성로에 있어서는, 상기 단열층의 어느 한 층이 카본 섬유층인 것이 바람직하다. 또한, 상기 단열층의 최외층으로서 카본 섬유층을 설치하고 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 세라믹 부재의 제조 방법은,

상기 세라믹 부재로 이루어지는 성형체를 소성할 때에 소성용 성형체를 수용하는 공간을 확보하도록 형성된 머플과, 상기 머플의 외측에 배치된 히터 또는 히터의 역할을 하는 발열체와, 상기 머플과 히터를 포함하도록 설치되고 탄소제의 고정구로 고정되어 있는 탄소제의 복수의 단열층을 구비한 소성로를 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 세라믹 부재는 다공질 세라믹 부재로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 소성로는 단열층의 어느 한 층이 카본 섬유층인 것이 바람직하다.

또한, 상기 세라믹 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 소성로는 단열층의 최외층으로서 카본 섬유층이 설치되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 소성로에 따르면, 복수의 단열층과 단열층을 고정하는 고정구가 카본으로 이루어지므로, 종래의 경우와 같이 고정구와 단열층의 일부(세라믹 파이버로 이루어지는 층)가 반응하는 일은 없고, 고정구의 균열 등을 방지할 수 있어 단열층의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 상기 복합층은 충분히 단열 성능이 우수하므로, 단열층 전체적으로 충분히 높은 단열 성능을 유지할 수 있어 내구성 및 열효율이 우수한 소성로가 된다.

본 발명의 소성로를 이용한 세라믹 부재의 제조 방법에 따르면, 동일한 조건에서 재현성 좋게 설계한 성능을 충분히 갖는 세라믹 부재를 제조할 수 있다.

본 발명은 특히 비산화물계 세라믹 부재(비산화물계 다공질 세라믹 부재)에 적합하게 이용할 수 있다.

도1은 본 발명에 관한 소성로의 일례를 모식적으로 도시하는 단면도이다.

도2는 도1에 도시한 소성로를 구성하는 단열층 부분을 모식적으로 도시하는 사시도이다.

도3은 다공질 세라믹 부재를 이용하여 제조한 벌집형 구조체를 모식적으로 도시하는 사시도이다.

도4의 (a)는 다공질 세라믹 부재를 모식적으로 도시하는 사시도이며, 도4의 (b)는 그 B-B선 단면도이다.

[부호의 설명]

10 : 소성로

11 : 머플

12 : 히터

13 : 단열층

13a, 13b : 카본 부재층

13c : 최외층

17 : 고정구

130 : 탄소 단열재층

131 : 탄소 섬유층

14 : 노벽

15 : 소성용 지그

19 : 지지대

도1은 본 발명에 관한 소성로를 모식적으로 도시하는 단면도이고, 도2는 도1에 도시한 소성로를 구성하는 단열층을 모식적으로 도시하는 단면도이다.

본 발명에 관한 소성로(10)는 소성용 성형체를 수용하는 공간을 확보하도록 형성된 머플(11)과, 머플(11)의 외주부에 배치된 히터(12)와, 머플(12) 및 히터(12)의 외측에 배치된 단열층(13)과, 단열층(13)의 외주부에 배치되어 단열층(13)을 고정하기 위한 단열층 부착 포위 부재(19)를 구비하고 있고, 가장 외측에 금속 등으로 이루어지는 노벽(14)이 형성되어 주위의 분위기와 격리할 수 있도록 되어 있다. 또한, 단열층(13)은 탄소제의 고정구(17)[볼트(17a)와 너트(17b)]로 단열층 부착 포위 부재(19)에 고정되어 있다.

노벽(14)은 내부에 물이 순환하도록 구성된 수냉 재킷이라도 좋고, 히터(12)는 머플(11)의 상하에 배치되어도 좋고, 좌우에 배치되어도 좋다.

머플(11)은 도시하지 않은 지지 부재에 의해 바닥 부분의 전체가 지지되어 있고, 소성용 성형체를 내부에 적재한 소성용 지그(15)의 적층체를 통행할 수 있도록 되어 있다. 머플(11)의 외주부에는 그라파이트 등으로 이루어지는 히터(12)가 설치되어 있고, 이 히터(12)는 단자(18)를 통해 외부의 전원(도시하지 않음)과 접속되어 있다.

히터(12)의 더 외측에는 단열층(13)이 설치되어 있지만, 이 단열층(13)은 도2에 도시한 바와 같이 내측에 카본 부재(13a, 13b)로 이루어지는 2층이 배치되고, 최외층에는 탄소 단열재층(130)과 탄소 섬유층(131)으로 이루어지는 층이 배치되어 구성되어 있다. a 내지 d는 그 위치에서의 온도를 나타내기 위한 부호이다.

종래, 단열층(13)은 최외층이 세라믹 파이버층에 의해 구성되어 있고, c 부분의 온도가 상승하면, 복수의 단열층(13)을 고정하는 고정구(17)와 반응해 버려 고정구(17)가 절곡되거나 하여 단열층으로서의 기능이 저하되거나, 변형되거나, 내측의 단열층과 반응하게 되지만, 본 발명에서는 복수의 단열층과 단열층을 고정하는 고정구(17)가 탄소제로 되어 있으므로, 단열층과 고정구(17)와의 반응을 방지할 수 있다. 또한, 최외층(13c)이 탄소제의 탄소 단열재층(130)과 탄소 섬유층(131)으로 구성되어 있고, 내측에 탄소제의 탄소 단열재층(130)이 배치되어 있으므로, c 부분의 온도가 상승해도 탄소 단열재층(130)이 더 내측의 단열층(13b)과 반응하는 일은 없고, 단열층(13b)과 단열층(13c) 사이에 간극이 형성되어 2개로 나누어지는 일도 없다고 생각된다. 또한, 카본 부재(13a, 13b)로 이루어지는 층은 카본을 구성 재료로 하는 층이면 되고, 그 구성은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 하기하는 탄소 단열재층(130), 탄소 섬유층(131)을 구성하는 재료와 동일한 재료를 들 수 있다.

또한, 탄소 단열재층(130) 및 탄소 섬유층(131)은 충분히 우수한 단열 성능을 갖고 있으므로, c 부분의 온도가 조금 상승해도 d 부분의 온도 상승을 억제할 수 있어 단열층(13) 전체적으로 충분히 높은 단열 성능을 유지할 수 있고, 내구성 및 열효율이 우수한 소성로가 된다.

탄소 단열재층(130)이라 함은, 탄소 섬유를 압축 성형 등에 의해 판 형상으로 한 것을 말하고, 그 밀도는 0.1 내지 5 g/㎤가 바람직하다. 또한, 탄소 단열재층의 두께는 5 내지 100 ㎜가 바람직하다.

탄소 섬유층(131)이라 함은, 카본 펠트, 카본 클로스 등의 탄소 섬유를 이용하여 초조(抄造) 또는 짜여진 것을 말하고, 초조품에서는 탄소 섬유끼리가 무기 접착재 등에 의해 접착됨으로써 시트 형상으로 되어 있다. 탄소 섬유층의 밀도는 0.05 내지 5 g/㎤가 바람직하다. 또한, 탄소 섬유층의 두께는 1 내지 100 ㎜가 바람직하고, 5 내지 50 ㎜가 더욱 바람직하다.

도2에 도시한 단열층은 3개의 단열층으로 이루어지고, 또한 최외층의 단열층(13c)이 탄소 단열재층(130) 및 탄소 섬유층(131)으로 구성되어 있지만, 최외층의 단열층(13c)에서는 탄소 단열재층(130)과 탄소 섬유층(131) 중 어느 것이 가장 외측이라도 좋고, 어느 하나만으로 이루어지는 것이라도 좋다. 또한, 단열재층(130), 탄소 섬유층(131)은 내측의 카본 부재(13a, 13b)에 이용해도 좋다.

단, 탄소 단열재층(130)과 탄소 섬유층(131)의 단열 성능을 비교하면, 1200 내지 1300 ℃보다 저온 영역에서는 일반적으로 밀도가 낮은 탄소 섬유층(131)이 열전도율이 낮아져 단열 성능이 우수하므로, 1200 내지 1300 ℃보다 저온 영역이 되는 최외층에 탄소 섬유층(131)을 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소 섬유층(131)은 비표면적이 높고, 발생하는 SiO 가스 등과의 반응성이 높으므로, 탄소 섬유층(131)을 최외층 이외에 이용하는 경우에도 가장 내측의 층이 아닌, 2번째 이후의 층에 이용하는 것이 바람직하다.

반대로, 탄소 단열재층(130)은 탄소 섬유층(131)에 비하면 밀도가 높으므로, 복사가 많아지는 고온 영역(노의 내측)에 탄소 단열재층(130)을 배치하는 것이 바람직하다.

단열층(13) 자체도 복수의 층이면 3층에 한정되지 않아 2층이라도 좋고, 4층이라도 좋지만, 1400 ℃ 이상의 노내 온도를 유지하기 위해 확실하게 단열하고, 또한 유지 보수시에 단열재를 교환하는 비용을 저감시키는 등의 이유로부터 3층이 바람직하다.

탄소 섬유층(131)의 열전도율은 온도 범위 100 내지 2000 ℃에 있어서 0.2 내지 1.6 Wm^-1K^-1이 바람직하고, 0.2 내지 1.0 Wm^-1K^-1이 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 단열층(13)이나 단열층을 고정하는 고정구(17)의 재료는 일부에 탄소와 반응하기 힘든 다른 재료가 존재해도 좋지만, 탄소제인 것이 바람직하다. 단열층과 고정구(17)의 반응을 더 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다.

단열층을 구성하는 탄소 단열재층(130), 탄소 섬유층(131), 카본 부재(13a, 13b) 등이나 탄소 재료로 이루어지는 고정구(17)는 고순도의 것이 바람직하다. 예를 들어, 탄소 재료 중 불순물 농도는 0.1 중량 % 이하가 바람직하고, 0.01 중량 % 이하가 더욱 바람직하다.

소성로(10)의 분위기는 불활성 가스 분위기가 바람직하고, 아르곤, 질소 등의 분위기가 바람직하다.

통상은, 도1에 도시한 바와 같이 소성용 지그(15) 내에 다공질 세라믹 부재가 되는 성형체(세라믹 성형체)(9)를 복수개 적재하고, 이와 같은 성형체(9)가 적재된 소성용 지그(15)를 복수단 겹쳐서 적층체를 형성하고, 이 적층체가 적재된 지지대(19)를 소성로(10)에 반입하여 일정 속도로 통과시키면서 소성을 행한다. 또 한, 성형체(9)는 탈지 공정을 통해 수지 등이 소실한 것이다.

소성로(10)는 머플(11)의 상하에 히터(12)가 소정 간격으로 배치되어 있고, 이 히터(12)의 열에 의해 소성용 지그(15)가 그 속을 통행하는 과정에서 차례로 고온이 되고, 최고 온도에 도달한 후 서서히 온도가 저하되도록 구성되어 있고, 입구로부터 연속적으로 소성용 지그(15)의 적층체를 적재한 지지대(19)를 소성로(10) 내에 반입하여 일정 속도로 통과시키면서 소결을 행한 후, 출구로부터 온도가 저하된 소성용 지그(15)를 반출하여 다공질 세라믹 부재를 제조한다.

또, 소성에 이용하는 히터는 탄소 부재에 외부 전원을 접속하여 직접 전류를 흐르게 함으로써 발열시켜 피가열물을 가열하는 것에 한정되지 않고, 히터의 역할을 하는 발열체를 이용하여 유도 가열 방식에 의해 히터의 역할을 하는 발열체로 피가열물을 가열하는 것이라도 좋다. 즉, 히터겸 머플의 역할을 하는 탄소 부재를 피가열물의 근방에 배치하고, 예를 들어 탄소 부재의 바로 외측에 단열층을 배치하는 동시에, 그 외측에 코일을 배치하고, 코일에 교류 전류를 흐르게 함으로써 탄소 부재에 와전류를 발생시키고 탄소 부재의 온도를 상승시켜 피가열물을 가열하는 방식의 것이라도 좋다.

상기한 소성로에 의해 소성하는 것이 가능한 세라믹 부재는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 질화물 세라믹, 탄화물 세라믹 등을 들 수 있지만, 본 발명의 소성로는 비산화물계 세라믹 부재의 제조, 특히 비산화물계 다공질 세라믹 부재의 제조에 적합하다.

그래서, 본 발명의 세라믹 부재의 제조 방법에 관하여, 상기 소성로를 채용 한 벌집형 구조로 이루어지는 비산화물계 다공질 세라믹 부재(이하, 단순히 벌집형 구조체라 함)의 제조 방법을 예로 들어, 소성 공정도 포함하여 간단하게 설명한다. 단, 본 발명의 세라믹 부재의 제조 방법의 대상이 되는 세라믹 부재는 상기 벌집형 구조체에 한정되는 것은 아니다.

상기 벌집형 구조체는 다수의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향으로 병설된 기둥 형상의 다공질 세라믹 부재가 밀봉재층을 사이에 두고 복수개 결속된 것이다.

도3은 벌집형 구조체의 일례를 모식적으로 도시하는 사시도이다.

도4의 (a)는 도3에 도시한 벌집형 구조체에 이용하는 다공질 세라믹 부재를 모식적으로 나타낸 사시도이고, (b)는 (a)의 B-B선 단면도이다.

벌집형 구조체(40)는 탄화규소 등의 비산화물 세라믹으로 이루어지는 다공질 세라믹 부재(50)가 밀봉재층(43)을 사이에 두고 복수개 결속되어 세라믹 블럭(45)을 구성하고, 이 세라믹 블럭(45)의 주위에 밀봉재층(44)이 형성되어 있다. 또한, 이 다공질 세라믹 부재(50)는 길이 방향으로 다수의 관통 구멍(51)이 병설되고, 관통 구멍(51)끼리를 구획하는 격벽(53)이 입자 포집용 필터로서 기능하도록 되어 있다.

즉, 다공질 탄화규소로 이루어지는 다공질 세라믹 부재(50)에 형성된 관통 구멍(51)은 도4의 (b)에 도시한 바와 같이 배기 가스의 입구측 또는 출구측 단부 중 어느 하나가 밀봉재(52)에 의해 막혀 하나의 관통 구멍(51)에 유입한 배기 가스는 반드시 관통 구멍(51)을 구획하는 격벽(53)을 통과한 후 다른 관통 구멍(51)으 로부터 유출하도록 되어 있고, 배기 가스가 이 격벽(53)을 통과할 때, 미립자가 격벽(53) 부분에서 포착되어 배기 가스가 정화된다.

이와 같은 벌집형 구조체(40)는 매우 내열성이 우수하고, 재생 처리 등도 용이하므로, 다양한 대형 차량이나 디젤 엔진 적재 차량 등에 사용되고 있다.

밀봉재층(43)은 다공질 세라믹 부재(50)를 접착시키는 접착제층으로서 기능하는 것이지만, 필터로서 기능시켜도 좋다. 밀봉재층(43)의 재료로서는, 특별히 한정되지 않지만, 다공질 세라믹 부재(50)와 대략 동일한 재료가 바람직하다.

밀봉재층(44)은 벌집형 구조체(40)를 내연 기관의 배기 통로에 설치하였을 때, 세라믹 블럭(45)의 외주부로부터 배기 가스가 누출하는 것을 방지하는 목적으로 설치되어 있는 것이다. 밀봉재층(44)의 재료도 특별히 한정되지 않지만, 다공질 세라믹 부재(50)와 거의 동일한 재료가 바람직하다.

또한, 다공질 세라믹 부재(50)는 반드시 관통 구멍의 단부가 막혀 있지 않아도 좋고, 막혀 있지 않은 경우에는, 예를 들어 배기 가스 정화용 촉매를 운반시키는 것이 가능한 촉매 담지체로서 사용할 수 있다.

상기 다공질 세라믹 부재는 탄화규소를 주성분으로 하여 구성되어 있지만, 탄화규소에 금속 규소를 배합한 규소 함유 세라믹, 규소나 규산염 화합물로 결합된 세라믹에 의해 구성되어 있어도 좋고, 그 밖의 재료에 의해 구성되어 있어도 좋다. 금속 규소를 첨가할 때에는 전체 중량에 대해 0 내지 45 중량 %가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

다공질 세라믹(50)의 평균 기공 직경은 5 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 평균 기공 직경이 5 ㎛ 미만이면, 미립자가 쉽게 막힘을 일으키는 경우가 있다. 한편, 평균 기공 직경이 100 ㎛를 초과하면, 미립자가 기공을 빠져 나가게 되어 상기 미립자를 포집할 수 없어 필터로서 기능할 수 없는 경우가 있다.

다공질 세라믹(50)의 기공률은 특별히 한정되지 않지만, 40 내지 80 %인 것이 바람직하다. 기공률이 40 % 미만이면 바로 막힘을 일으키는 경우가 있다. 한편, 기공률이 80 %를 초과하면, 기둥형 몸체의 강도가 저하되어 쉽게 파괴되는 경우가 있다.

이와 같은 다공질 세라믹(50)을 제조할 때에 사용하는 세라믹의 입경으로서는 특별히 한정되지 않지만, 이후의 소성 공정에서 수축이 적은 것이 바람직하고, 예를 들어 0.3 내지 50 ㎛ 정도의 평균 입경을 갖는 분말 100 중량부와, 0.1 내지 1.0 ㎛ 정도의 평균 입경을 갖는 분말 5 내지 65 중량부를 조합한 것이 바람직하다. 상기 입경의 세라믹 분말을 상기 배합으로 혼합함으로써 다공질 세라믹으로 이루어지는 기둥형 몸체를 제조할 수 있기 때문이다.

벌집형 구조체(40)의 형상은 원기둥 형상에 한정되는 것은 아니고, 타원 기둥 형상과 같은 단면이 편평 형상인 기둥 형상, 각기둥 형상이라도 좋다.

또한, 벌집형 구조체(40)는 촉매 담지체로서 사용할 수 있고, 이 경우, 상기 벌집형 구조체에 배기 가스를 정화하기 위한 촉매(배기 가스 정화용 촉매)를 담지하게 된다.

상기 벌집형 구조체를 촉매 담지체로서 사용함으로써, 배기 가스 중의 HC, CO, NOx 등의 유해 성분이나, 벌집형 구조체에 약간 포함되어 있는 유기 성분으로 부터 발생하는 HC 등을 확실하게 정화할 수 있게 된다.

상기 배기 가스 정화용 촉매로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 백금, 팔라듐, 로듐 등의 귀금속을 들 수 있다. 이들 귀금속은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상 병용해도 좋다.

다음에, 벌집형 구조체를 제조하는 방법에 대해 설명한다.

구체적으로는, 우선 세라믹 블럭(45)으로 이루어지는 세라믹 적층체를 제작한다(도4 참조).

상기 세라믹 적층체는 각기둥 형상의 다공질 세라믹 부재(50)가 밀봉재층(43)을 사이에 두고 복수개 결속된 기둥 형상 구조이다.

탄화규소로 이루어지는 다공질 세라믹 부재(50)를 제조하기 위해서는, 우선, 탄화규소 분말에 바인더 및 분산매액을 부가한 혼합 조성물을 아트라이터 등을 이용하여 혼합한 후, 니더 등으로 충분히 혼련하여 압출 성형법 등에 의해 도4에 도시한 다공질 세라믹 부재(50)와 대략 동일 형상인 기둥 형상의 세라믹 성형체를 제작한다.

상기 탄화규소 분말의 입경은 특별히 한정되지 않지만, 이후의 소성 과정에서 수축이 적은 것이 바람직하고, 예를 들어 0.3 내지 50 ㎛ 정도의 평균 입자 직경을 갖는 분말 100 중량부와 0.1 내지 1.0 ㎛ 정도의 평균 입자 직경을 갖는 분말 5 내지 65 중량부를 조합한 것이 바람직하다.

상기 바인더로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 페놀 수지, 에 폭시 수지 등을 들 수 있다.

상기 바인더의 배합량은 통상 탄화규소 분말 100 중량부에 대해 1 내지 10 중량부 정도가 바람직하다.

상기 분산매액으로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 벤젠 등의 유기 용매, 메탄올 등의 알코올, 물 등을 들 수 있다.

상기 분산매액은 혼합 조성물의 점도가 일정 범위 내가 되도록 적정량 배합된다.

다음에, 상기 탄화규소 성형체를 건조시켜, 필요에 따라서 소정의 관통 구멍에 밀봉재를 충전하는 밀봉 처리를 실시하고, 다시 건조 처리를 실시한다.

다음에, 이 탄화규소 성형체를 산소 함유 분위기 하, 400 내지 650 ℃ 정도로 가열함으로써 탈지하고, 질소, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기 하, 1400 내지 2200 ℃ 정도로 가열함으로써 소성하고, 세라믹 분말을 소결시켜 탄화규소로 이루어지는 다공질 세라믹 부재(50)를 제조한다.

상기 소성시에 본 발명에 관한 소성로를 사용한다.

소성 공정에서는 상기 온도로 가열하므로, 종래의 소성로에서는 단열 성능이 저하되어 가지만, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 복수의 단열층을 고정하는 고정구(17)가 탄소제이며, 단열층의 최외층에 탄소 단열재층(130)과 탄소 섬유층(131)으로 이루어지는 층을 더 배치하고 있으므로, 장기간에 걸쳐서 같은 소성로를 이용할 수 있고, 동일한 조건에서 재현성 좋게, 설계한 성능을 충분히 갖는 다공질 세라믹 부재를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 소성로는 연속 소성로로 할 수 있 으므로, 연속적으로 다공질 세라믹 부재(50)를 제조할 수 있다. 또, 본 발명의 소성로는 뱃치(batch) 소성로라도 좋다.

그 후, 이와 같이 하여 제조한 복수의 다공질 세라믹 부재(50)를 밀봉재층(43)을 사이에 두고 결속시켜 소정의 형상이 되도록 가공한 후, 그 외주에 밀봉재층(34)의 층을 형성하여 벌집형 구조체의 제조를 종료한다.

상기 실시 형태에 있어서는, 비산화물계 다공질 세라믹 부재의 제조 방법을 예로 들어 설명하였지만, 제조의 대상이 되는 다공질 세라믹 부재를 구성하는 세라믹은 탄화규소에 한정되지 않고, 예를 들어 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 질화티탄 등의 질화물 세라믹, 탄화지르코늄, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화텅스텐 등의 탄화물 세라믹, 알루미나, 지르코니아, 코제라이트, 멀라이트, 실리카 등의 산화물 세라믹 등을 들 수 있다. 또한, 상기 다공질 세라믹체는 실리콘과 탄화규소와의 복합체, 티탄산알루미늄이라는 2 종류 이상의 재료로 형성되어 있는 것이라도 좋다. 실리콘과 탄화규소와의 복합체를 이용하는 경우에는, 실리콘을 전체의 0 내지 45 중량 %가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

이하에 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

(제1 실시예)

(1) 도1에 도시한 바와 같은 소성로를 제작하고, 단열층으로서 가장 내측의 층을 카본 부재로 이루어지는 층(13a)(쿠레하 가가꾸고교 가부시끼가이샤제 FR200/OS 밀도 : 0.16 g/㎤, 두께 50 ㎜), 2번째 층을 카본 부재로 이루어지는 층(13b)(쿠레하 가가꾸고교 가부시끼가이샤제 FR200/OS 밀도 : 0.16 g/㎤, 두께 : 50 ㎜)으로 하는 동시에, 최외층을 탄소 단열재층(130)(밀도 : 0.16 g/㎤, 두께 : 25 ㎜)과 탄소 섬유층(131)(밀도 : 0.1 g/㎤, 두께 : 25 ㎜)과의 복합층(쿠레하 가가꾸고교 가부시끼가이샤제)으로 하고, 상압의 아르곤 분위기 중 머플 내의 최고 온도 2200 ℃로 하고, 도2에 도시한 각 위치에서 단열재층(13)의 온도를 가열실의 중심에 위치하는 단열재에 열전대를 삽입함으로써 측정하였다.

그 결과, 위치 a에서는 2200 ℃, 위치 b에서는 1900 ℃, 위치 c에서는 1430 ℃, 위치 d에서는 320 ℃로, 충분히 단열재층으로서의 기능을 하고 있었다.

또, 단열재층을 구성하는 부재는 모두 불순물 농도가 0.1 중량 % 이하이고, 단열재층(13)에 설치된 탄소제의 고정구(17)도 불순물 농도가 0.1 중량 % 이하였다.

(2) 다음에 상기 소성로를 이용하여 다공질 세라믹 부재로 이루어지는 벌집형 구조체를 제조하였다.

즉, 평균 입경 10 ㎛의 α형 탄화규소 분말 60 중량 %와, 평균 입경 0.5 ㎛의 α형 탄화규소 분말 40 중량 %를 습식 혼합하고, 얻어진 혼합물 100 중량부에 대해 유기 바인더(메틸셀룰로오스)를 5 중량부, 물을 10 중량부 가하여 혼련하여 혼합물을 얻었다. 다음에, 상기 혼합물에 가소제와 윤활제를 소량 가하여 더 혼련한 후, 압출 성형을 행하여 그린 성형체를 제작하였다.

(3) 다음에 상기 그린 성형체를 마이크로파 건조기를 이용하여 건조시켜 상기 그린 성형체와 같은 조성의 페이스트를 소정의 관통 구멍에 충전한 후, 다시 건 조기를 이용하여 건조시키고, 그 후 400 ℃에서 탈지하여 상기 소성로를 이용하여 상압의 아르곤 분위기 하 2200 ℃, 3시간 소성을 행함으로써, 도4에 도시한 바와 같은 형상으로, 그 크기가 34 ㎜ × 34 ㎜ × 300 ㎜이고, 관통 구멍의 수가 31 개/㎠, 격벽의 두께가 0.3 ㎜인 탄화규소 소결체로 이루어지는 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.

(4) 이 후,「실시예」의 항에서 설명한 방법을 이용하여, 도4에 도시한 탄화규소로 이루어지는 다공질 세라믹 부재(50)가 밀봉재층(43)을 사이에 두고 복수개 결속되어 세라믹 블럭(45)을 구성하고, 이 세라믹 블럭(45)의 주위에 밀봉재층(44)이 형성된 벌집형 구조체(40)를 제조하였다.

(5) 그리고, 상기 소성로를 이용하여 다공질 세라믹 부재를 제조하는 공정을 2000시간 연속해서 행하고, 2000시간 후에 소성로를 구성하는 단열층의 온도를 제조 전과 마찬가지로 하여 측정하였다.

그 결과, 위치 a에서는 2200 ℃, 위치 b에서는 1920 ℃, 위치 c에서는 1450 ℃, 위치 d에서는 350 ℃로, b 내지 c에서는 제조 개시 전에 비해 약간의 온도가 상승하고 있었지만, d의 위치에서는 온도가 충분히 저하되고 있어 단열층으로서의 기능을 충분히 하고 있었다. 또한, 제조를 종료한 후, 단열층을 절단하여 측면을 관찰하였지만, 최초의 단열층과 그 형상 등도 거의 변화가 없었다.

또, 제조된 벌집형 구조체(40)는 어떤 시간에 제조된 것도 설계 그대로의 성능을 갖는 것이었다.

(제1 비교예)

단열층의 최외층을 알루미나 파이버로 이루어지는 층(도시바 세라믹스사제 Al₂O₃ 순도 : 95 % 1800 ℃ 소성품 두께 : 50 ㎜)으로 한 것 이외에는, 제1 실시예와 같은 실험을 행하였다. 그 결과, 제조 개시 전의 단열층의 온도 분포는 위치 a에서는 2200 ℃, 위치 b에서는 1900 ℃, 위치 c에서는 1440 ℃, 위치 d에서는 320 ℃이고, 제조를 개시하고 2000시간 후의 단열층의 온도 분포는 위치 a에서는 2200 ℃, 위치 b에서는 1960 ℃, 위치 c에서는 1550 ℃, 위치 d에서는 400 ℃로, b 내지 c에서 제조 개시 전에 비해 온도의 상승을 볼 수 있는 동시에, d의 위치에서도 온도가 충분히 저하되고 있지 않아 단열층의 성능이 저하되고 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 제조를 종료한 후 단열층을 관찰한 결과, 2번째 층의 단열층과 3번째 층(최외층)의 단열층 사이에 간극이 형성되어 있었다. 이것은 2번째 층의 카본 부재의 층과 3번째 층의 세라믹 파이버의 층이 반응하였기 때문이라 생각된다. 또한, 3번째 층의 단열층은 변형되어 있었다. 이는 3번째 층의 단열층의 온도가 지나치게 상승하였으므로, 알루미나 파이버가 연화하여 변형된 것이라 생각된다. 또한, 단열재를 고정하는 탄소제의 고정구에 균열이 생긴 것이나 절단되어 있는 것이 발견되었다.

또한, 제조된 벌집형 구조체는 제조한 시기에 의해 조금이지만 성능이 변화되고 있었다. 소성로에 있어서의 제조 대상인 성형체 주위의 온도 등의 미묘한 변화에 기인하는 것이라 생각된다.

상기 실시예에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 비산화물계 다공질 세라믹 부재에 적합하게 이용할 수 있고, 특히 탄화규소제 다공질 세라믹 부재에 적합하게 이용할 수 있다.

Claims

소성용 성형체를 수용하는 공간을 확보하도록 형성된 머플과, 상기 머플의 외측에 배치된 히터 또는 히터의 역할을 하는 발열체와, 상기 머플과 히터를 포함하도록 설치된 복수의 단열층을 구비한 소성로이며,

상기 단열층은 탄소제이고, 탄소제의 고정구로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 소성로.
제1항에 있어서, 상기 단열층의 어느 한 층이 카본 섬유층인 소성로.
제1항에 있어서, 상기 단열층의 최외층으로서 카본 섬유층을 설치한 소성로.
세라믹 부재의 제조 방법이며,

상기 세라믹 부재로 이루어지는 성형체를 소성할 때에 소성용 성형체를 수용하는 공간을 확보하도록 형성된 머플과, 상기 머플의 외측에 배치된 히터 또는 히터의 역할을 하는 발열체와, 상기 머플과 히터를 포함하도록 설치되고 탄소제의 고정구로 고정되어 있는 탄소제의 복수의 단열층을 구비한 소성로를 이용하는 것을 특징으로 하는 세라믹 부재의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 세라믹 부재는 다공질 세라믹 부재로 이루어지는 세라 믹 부재의 제조 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 소성로는 단열층의 어느 한 층이 카본 섬유층인 세라믹 부재의 제조 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소성로는 단열층의 최외층으로서 카본 섬유층이 설치되어 있는 세라믹 부재의 제조 방법.