JP7577015B2 - Ceramic composition and fired ceramic body - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック組成物および高温環境で用いられるセラミック中子などのセラミック焼成体に関する。 The present invention relates to ceramic compositions and ceramic fired bodies such as ceramic cores for use in high-temperature environments.
高温環境(例えば、1100℃以上)で使用されるタービンブレード、ジェットエンジン、ターボチャージャーなどの耐熱構造用部材には、Ti基合金、Ni基合金、Co基合金などの超耐熱合金が使用されている。これらの耐熱構造用部材のうち、例えば、タービンブレードには、強度確保と冷却機能の両立のために、複雑かつ高精度に設計された空気流路である中空孔が設けられている。 Super heat-resistant alloys such as Ti-based alloys, Ni-based alloys, and Co-based alloys are used in heat-resistant structural components such as turbine blades, jet engines, and turbochargers that are used in high-temperature environments (e.g., 1100°C or higher). Among these heat-resistant structural components, for example, turbine blades are provided with hollow holes that serve as air passages that are designed in a complex and highly precise manner to ensure both strength and cooling function.
中空孔を有する耐熱構造用部材は、一般的には、ロストワックス法などの精密鋳造法により製造することができる。具体的には、耐熱構造用部材は、該部材の外部構造に対応する内部空間を備えた鋳型と、所望の中空孔に対応する形状の中子とを用い、かかる鋳型と中子とにより形成される空洞に、溶融させた上記超耐熱合金(溶湯)を流し入れて凝固させた後、中子をアルカリ溶液などで溶出させて中空孔を形成することにより製造される。一般的に、鋳型および中子は溶湯に対する耐熱性が要求されるため、セラミックからなる耐火物が使用されている。 Heat-resistant structural components with hollow holes can generally be manufactured by precision casting methods such as the lost wax method. Specifically, heat-resistant structural components are manufactured by using a mold with an internal space corresponding to the external structure of the component and a core with a shape corresponding to the desired hollow hole, pouring the molten superalloy (molten metal) into the cavity formed by the mold and core, allowing it to solidify, and then dissolving the core with an alkaline solution or the like to form the hollow hole. Generally, since the mold and core are required to be heat-resistant to the molten metal, refractory materials made of ceramic are used.
上述した精密鋳造法に用いられる代表的なセラミック中子は、いわゆるニアネットシェイプ(後工程が不要なほど完成品に近い状態)とするため、セラミック坏土やセラミックスラリー(以下、それぞれ、坏土、スラリーともいう)を金型内に流し込み成形したのち焼成して作製される。成形方法としては、射出成形や鋳込み法がある。従来のセラミック中子成形用の坏土やスラリーは、非晶質シリカを主成分とするセラミック組成物であり、必要に応じて他の無機成分やバインダなどと混合される。 A typical ceramic core used in the above-mentioned precision casting method is made by pouring a ceramic clay or ceramic slurry (hereinafter referred to as clay and slurry, respectively) into a mold, molding it, and then firing it to produce a so-called near-net shape (a state close enough to the finished product that no post-processing is required). Molding methods include injection molding and casting. Conventional clays and slurries for molding ceramic cores are ceramic compositions whose main component is amorphous silica, and are mixed with other inorganic components and binders as necessary.
セラミック中子に関する従来技術として、例えば、特許文献1が挙げられる。耐熱構造用部材を鋳造する際の温度環境は、少なくとも1000℃を超える高温環境であるため、一般的な非晶質シリカ粒子を用いて鋳造する場合、シリカの結晶構造変化などに起因して収縮が大きかったり、クリープ特性に優れなかったりして、中子が変形するおそれがある。上記問題に対し、特許文献1には、高温でのセラミック中子の変形を抑制する(高温での形状安定性を向上させる)方法として、セラミック中子のシリカ成分の一部を難焼結性であるクリストバライトにすることが有効である旨記載されている。 For example, Patent Document 1 is an example of prior art related to ceramic cores. The temperature environment during casting of heat-resistant structural components is a high-temperature environment exceeding at least 1000°C. Therefore, when casting using general amorphous silica particles, there is a risk of deformation of the core due to large shrinkage caused by changes in the crystal structure of silica or poor creep properties. In response to the above problem, Patent Document 1 describes that as a method of suppressing deformation of the ceramic core at high temperatures (improving shape stability at high temperatures), it is effective to convert part of the silica component of the ceramic core into cristobalite, which is difficult to sinter.
近年、例えばセラミック中子は、耐熱構造用部材の構造複雑化に伴い、該中子の形状がより複雑になるとともに翼部が薄くなってきている。そのため、中子などのセラミック焼成体の原料であるセラミック組成物には、製造時の金型への充填性の向上が求められているが、従来の非晶質シリカ粒子や、クリストバライト粒子では、必要な充填性を得られない場合があった。 In recent years, for example, with ceramic cores, the shape of the cores has become more complex and the wings have become thinner as the structure of heat-resistant structural components has become more complex. For this reason, there is a demand for ceramic compositions, which are the raw material for fired ceramic bodies such as cores, to have improved filling properties when they are manufactured into dies, but conventional amorphous silica particles and cristobalite particles have not always been able to provide the necessary filling properties.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、セラミック焼成体の高温での形状安定性を向上しつつ、金型への充填性に優れるセラミック組成物、およびセラミック焼成体を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a ceramic composition and a sintered ceramic body that have excellent mold filling properties while improving the shape stability of the sintered ceramic body at high temperatures.
本発明のセラミック組成物は、非晶質シリカと、クリストバライトと、バインダとを含み、上記バインダは、有機バインダまたは無機バインダのうち少なくとも一方からなり、上記クリストバライトは、全てまたは少なくとも一部が球状クリストバライトであり、上記球状クリストバライトは、シリカ成分全体に対して0.1質量%~35質量%含まれていることを特徴とする。 The ceramic composition of the present invention includes amorphous silica, cristobalite, and a binder, the binder being at least one of an organic binder and an inorganic binder, the cristobalite being entirely or at least partially spherical cristobalite, and the spherical cristobalite is contained in an amount of 0.1% by mass to 35% by mass relative to the total silica component.
ここで、上記「クリストバライト」は、X線回折(XRD)装置での測定において2θ=22°近傍に現れる回折ピーク高さを積分して求められるピーク面積(積分強度)に基づいて算出されるクリストバライト結晶化率(クリストバライト結晶相の比率)が80%以上である結晶性シリカを表わす。上記「クリストバライト結晶化率」は、回折ピークのピーク面積を検量線法などにより解析することにより定量できる。また、上記「シリカ成分」は、SiO2からなる成分であればよく、非晶質シリカおよびクリストバライトの他、トリジマイト、石英、コーサイト、ステショバイトなどを含み得る。 Here, the above-mentioned "cristobalite" refers to crystalline silica having a cristobalite crystallization rate (ratio of cristobalite crystalline phase) of 80% or more, calculated based on the peak area (integral intensity) obtained by integrating the height of the diffraction peak appearing near 2θ = 22° in the measurement by an X-ray diffraction (XRD) device. The above-mentioned "cristobalite crystallization rate" can be quantified by analyzing the peak area of the diffraction peak by a calibration curve method or the like. In addition, the above-mentioned "silica component" may be any component consisting of SiO2 , and may include, in addition to amorphous silica and cristobalite, tridymite, quartz, coesite, stishovite, etc.
上記球状クリストバライトの粒子径が、0.5μm~150μmであることを特徴とする。 The spherical cristobalite has a particle size of 0.5 μm to 150 μm.
ここで、「粒子径」は、測定方法が特に限定されるものではないが、例えば、レーザ散乱・回折式粒度分布測定装置や画像撮影・解析装置での測定により算出される粒子径であり、最小から最大までの全ての粒子について体積基準で算出した粒子径を表わす。 Here, the "particle size" is not particularly limited in the measurement method, but is, for example, the particle size calculated by measurement using a laser scattering/diffraction particle size distribution measuring device or an image capture/analysis device, and represents the particle size calculated on a volume basis for all particles from the smallest to the largest.
上記球状クリストバライトの光学顕微鏡によって測定される平均アスペクト比が、1~3であることを特徴とする。 The spherical cristobalite has an average aspect ratio of 1 to 3 as measured by an optical microscope.
ここで、「平均アスペクト比」は、所定の個数の粒子における各粒子の長軸長さの短軸長さに対する比率(長軸長さ/短軸長さ)であるアスペクト比の平均値を表わす。なお、平均アスペクト比は1以上の数値となる。 Here, "average aspect ratio" refers to the average aspect ratio, which is the ratio of the long axis length to the short axis length (long axis length/short axis length) of each particle for a given number of particles. The average aspect ratio is a value of 1 or more.
上記球状クリストバライトの光学顕微鏡によって測定される平均円形度が、0.6~1.0であることを特徴とする。 The spherical cristobalite has an average circularity of 0.6 to 1.0 as measured by an optical microscope.
ここで、「円形度」は、粒子における半径r、面積S、周囲長Lが、下記式(1)の関係で表わされる。
円形度=4πS/L2=4π(πr2)/(2πr)2・・・(1)
「平均円形度」は、所定の個数の粒子における各粒子の円形度の平均値を表わす。なお、円形度は1以下の数値となる。
Here, the "circularity" is expressed by the relationship between the radius r, area S, and perimeter L of a particle, as shown in the following formula (1).
Circularity=4πS/ L2 =4π( πr2 )/(2πr) 2 (1)
The "average circularity" refers to the average value of the circularity of each particle for a given number of particles. The circularity is a value of 1 or less.
本発明のセラミック焼成体は、非晶質シリカと、クリストバライトとを含み、上記クリストバライトは少なくとも一部が球状のクリストバライトであることを特徴とする。 The fired ceramic body of the present invention contains amorphous silica and cristobalite, and the cristobalite is characterized in that at least a portion of the cristobalite is spherical.
上記セラミック焼成体が、鋳造用のセラミック中子であることを特徴とする。 The fired ceramic body is a ceramic core for casting.
本発明のセラミック組成物は、非晶質シリカと、クリストバライトと、バインダとを含み、バインダは、有機バインダまたは無機バインダのうち少なくとも一方からなるので、該セラミック組成物を用いて製造されたセラミック中子は耐熱構造用部材を鋳造する際の収縮やクリープが起こりにくく、高温での形状安定性に優れる。また、クリストバライトは、全てまたは少なくとも一部が球状クリストバライトで、該球状クリストバライトは、シリカ成分全体に対して0.1質量%~35質量%含まれているので、本発明のセラミック組成物中のシリカ成分を構成する粒子同士のぶつかり抵抗が低下し、流動性に優れる。これにより、金型への充填性に優れる。 The ceramic composition of the present invention contains amorphous silica, cristobalite, and a binder, and the binder is at least one of an organic binder and an inorganic binder. Therefore, a ceramic core manufactured using the ceramic composition is less susceptible to shrinkage and creep when casting a heat-resistant structural component, and has excellent shape stability at high temperatures. In addition, all or at least a portion of the cristobalite is spherical cristobalite, and the spherical cristobalite is contained in an amount of 0.1% by mass to 35% by mass of the entire silica component, so that the collision resistance between particles constituting the silica component in the ceramic composition of the present invention is reduced, resulting in excellent fluidity. This results in excellent filling properties into a mold.
球状クリストバライトの粒子径が0.5μm~150μmであるので、粒子が凝集しにくく、好ましい流動性を発現できる。その結果、翼部などへの充填性に優れる。 Since the particle size of the spherical cristobalite is 0.5 μm to 150 μm, the particles are less likely to aggregate and can exhibit favorable fluidity. As a result, it has excellent filling properties for the blades, etc.
球状クリストバライトは、光学顕微鏡によって測定される平均アスペクト比が1~3、または、平均円形度が0.6~1.0であるので、粒子同士のぶつかり抵抗がさらに低下し、坏土やスラリー状のセラミック組成物とした際の凝集が起こりにくく、流動性に一層優れる。それにより、当該組成物は金型への充填性に一層優れ、より複雑な構造の耐熱構造用部材の製造に用いるセラミック中子などに用いることができる。 Spherical cristobalite has an average aspect ratio of 1 to 3, or an average circularity of 0.6 to 1.0, as measured by an optical microscope, which further reduces the resistance to collisions between particles, making it less likely to aggregate when made into a clay or slurry-like ceramic composition, and providing better fluidity. As a result, the composition has better filling properties into molds, and can be used for ceramic cores used in the manufacture of heat-resistant structural components with more complex structures.
本発明のセラミック焼成体は、非晶質シリカと、クリストバライトとを含み、クリストバライトは少なくとも一部が球状のクリストバライトであるので、耐熱構造用部材の鋳造時の収縮やクリープが起こりにくく、高温での形状安定性に優れ、また精密な構造も容易に製造できる。そのため、構造が複雑化している鋳造用のセラミック中子などに好適に用いることができる。 The ceramic sintered body of the present invention contains amorphous silica and cristobalite, at least a portion of which is spherical, so that heat-resistant structural components are less susceptible to shrinkage and creep during casting, have excellent shape stability at high temperatures, and can easily be manufactured with precision structures. Therefore, it can be suitably used for ceramic cores for casting, which have complex structures.
本発明のセラミック組成物は、非晶質シリカと、クリストバライトと、バインダとを含む。クリストバライトは、全てまたは少なくとも一部が球状クリストバライトである。クリストバライトは難焼結性であるため、焼成時の寸法収縮を抑制する。また、例えばセラミック中子として溶湯中に浸漬された際において高温でのクリープ特性を改善する効果がある。従来のセラミック中子では、クリストバライトを配合する場合、粉砕された非球状のクリストバライト粒子(粉末)が用いられることが一般的である。しかし、本発明においては、球状クリストバライトを用いることにより、後述する種々の効果が発現することを見出した。 The ceramic composition of the present invention includes amorphous silica, cristobalite, and a binder. All or at least a portion of the cristobalite is spherical cristobalite. Cristobalite is difficult to sinter, so it suppresses dimensional shrinkage during firing. It also has the effect of improving creep characteristics at high temperatures, for example, when immersed in molten metal as a ceramic core. In conventional ceramic cores, when cristobalite is blended, crushed non-spherical cristobalite particles (powder) are generally used. However, in the present invention, it has been found that the use of spherical cristobalite produces various effects, which will be described later.
本発明のセラミック組成物は、球状クリストバライトをシリカ成分全体に対して0.1質量%~35質量%含む。該組成物がクリストバライトをシリカ成分全体に対して0.1質量%以上含むことにより、坏土やスラリーの粘度を低下させ、流動性を向上させることができる。また、該組成物のシリカ成分全体に対する球状クリストバライトの含有量が35質量%以下であることにより、熱的衝撃特性に優れるため、焼成後の冷却中に起こる割れである冷め割れが発生しにくい。これにより、セラミック焼成体を高い歩留まりで生産でき、生産効率に優れる。球状クリストバライトは、シリカ成分全体に対して1質量%~30質量%含まれていることが好ましく、2質量%~25質量%含まれていることがさらに好ましい。 The ceramic composition of the present invention contains spherical cristobalite in an amount of 0.1% to 35% by mass based on the total silica component. By containing 0.1% or more by mass of cristobalite based on the total silica component, the viscosity of the clay or slurry can be reduced and the fluidity can be improved. Furthermore, since the content of spherical cristobalite in the total silica component of the composition is 35% or less by mass, the thermal shock properties are excellent, and cooling cracks, which are cracks that occur during cooling after firing, are unlikely to occur. This allows the ceramic fired body to be produced with a high yield and excellent production efficiency. The spherical cristobalite is preferably contained in an amount of 1% to 30% by mass based on the total silica component, and more preferably 2% to 25% by mass.
クリストバライトが球状の粒子であることにより、粒子同士のぶつかり抵抗が低下し、成形用の坏土やスラリーの流動性に優れる。その結果、複雑な構造で肉薄部を有するようなセラミック中子などのセラミック焼成体の製造に好適である。 Because cristobalite particles are spherical, the resistance to collisions between particles is reduced, and the fluidity of the molding clay or slurry is excellent. As a result, it is suitable for producing ceramic fired bodies such as ceramic cores with complex structures and thin sections.
本発明のセラミック組成物が含む球状クリストバライトの粒子径は、自由に選択でき、0.5μm~150μmであることが好ましい。最小粒子径を0.5μm以上とすることで、粒子が細かくなりすぎないため凝集しにくく、好ましい流動性を発現できる。また、最大粒子径を150μm以下とすることで、翼部などへの充填性に優れる。一方、球状クリストバライトの平均粒子径は、3μm~60μmであることが好ましく、3μm~20μmであることがより好ましい。ここで、平均粒子径は、体積基準の粒度分布における積算値50%での粒径(50%体積平均粒子径:D50)を表わす。平均粒子径を60μm以下にすることにより、粒子径が粗くなりすぎない。その結果、例えばタービンブレード用の中子の製造金型における肉薄部に対しても充填不良が起こりにくいため、当該中子の生産効率などに優れる。また、粒子間の間隙も大きくなりすぎないため、中子自体の耐衝撃性にも優れる。 The particle size of the spherical cristobalite contained in the ceramic composition of the present invention can be freely selected, and is preferably 0.5 μm to 150 μm. By setting the minimum particle size to 0.5 μm or more, the particles do not become too fine, so they are less likely to aggregate, and a preferable flowability can be expressed. In addition, by setting the maximum particle size to 150 μm or less, excellent filling properties are obtained for blades and the like. On the other hand, the average particle size of the spherical cristobalite is preferably 3 μm to 60 μm, and more preferably 3 μm to 20 μm. Here, the average particle size represents the particle size at 50% of the cumulative value in the volume-based particle size distribution (50% volume average particle size: D50). By setting the average particle size to 60 μm or less, the particle size does not become too coarse. As a result, for example, filling defects are unlikely to occur even in thin parts of a manufacturing die for a core for a turbine blade, and the production efficiency of the core is excellent. In addition, the gaps between the particles are not too large, so the impact resistance of the core itself is also excellent.
球状クリストバライトの形状は球状であり、例えば光学顕微鏡によって測定される平均アスペクト比は、1~3であることが好ましい。該平均アスペクト比は、1~2.5であることがより好ましく、1~2であることがさらに好ましい。平均アスペクト比が1~3である場合、粒子同士のぶつかり抵抗がさらに低下し、坏土やスラリー状のセラミック組成物とした際の凝集が起こりにくく、セラミック組成物は流動性に一層優れる。 The spherical cristobalite has a spherical shape, and the average aspect ratio measured, for example, by an optical microscope is preferably 1 to 3. The average aspect ratio is more preferably 1 to 2.5, and even more preferably 1 to 2. When the average aspect ratio is 1 to 3, the resistance to collision between particles is further reduced, aggregation is less likely to occur when the ceramic composition is made into a clay or slurry, and the ceramic composition has even better fluidity.
また、球状クリストバライトの形状について、上述の平均アスペクト比に代えてまたは組み合わせて、他の指標で規定することができる。例えば、球状クリストバライトの形状は、光学顕微鏡によって測定される平均円形度で言えば、0.6~1.0であることが好ましい。該平均円形度は、0.7~1.0であることがより好ましく、0.8~1.0であることがさらに好ましく、0.9~1.0であることが特に好ましい。平均円形度が0.6~1.0である場合、粒子同士のぶつかり抵抗がさらに低下し、坏土やスラリー状のセラミック組成物とした際の凝集が起こりにくく、セラミック組成物は流動性に一層優れる。 The shape of the spherical cristobalite can be defined by other indices instead of or in combination with the average aspect ratio described above. For example, the shape of the spherical cristobalite is preferably 0.6 to 1.0 in terms of average circularity measured by an optical microscope. The average circularity is more preferably 0.7 to 1.0, even more preferably 0.8 to 1.0, and particularly preferably 0.9 to 1.0. When the average circularity is 0.6 to 1.0, the collision resistance between particles is further reduced, aggregation is less likely to occur when the ceramic composition is made into a clay or slurry, and the ceramic composition has even better fluidity.
クリストバライトは、球状と非球状とを組み合わせて使用することもできる。球状クリストバライトは市販品を用いてもよく、また特開平11-302506に開示される方法で得られる種々の粒径のクリストバライトを用いてもよい。 Cristobalite can be used in combination of spherical and non-spherical shapes. Commercially available spherical cristobalite can be used, or cristobalite of various particle sizes obtained by the method disclosed in JP-A-11-302506 can be used.
非晶質シリカは、焼成時の収縮を小さくする観点から、非球形であることが好ましい。充填性の観点からは、非晶質シリカの一部を球状の非晶質シリカとしてもよい。非晶質シリカの平均粒子径は5μm~60μmであることが好ましく、5μm~40μmであることがより好ましく、5μm~20μmであることがさらに好ましい。 From the viewpoint of reducing shrinkage during firing, it is preferable that the amorphous silica is non-spherical. From the viewpoint of packing properties, a portion of the amorphous silica may be spherical amorphous silica. The average particle size of the amorphous silica is preferably 5 μm to 60 μm, more preferably 5 μm to 40 μm, and even more preferably 5 μm to 20 μm.
上記セラミック組成物には、例えば溶湯を流し入れる際の耐熱性調整などのため、耐熱性調整粒子を配合してもよい。耐熱性調整粒子としては、例えば、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、マグネシア(MgO)、チタニア(TiO2)、セリア(CeO2)、イットリア(Y2O3)、ハフニア(HfO2)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、二酸化マンガン(MnO2)、石灰(CaO)、酸化亜鉛(ZnO)、ベンガラ(Fe2O3)、ジルコン(ZrSiO4)、ムライト(Al6O13Si2)などの酸化物系セラミックであってもよく、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、炭化ケイ素(SiC)、炭窒化ホウ素などの非酸化物系セラミックであってもよい。または、これらのセラミックを少なくとも1種以上含む複合材料などであってもよい。これらのセラミックは、焼成体への要求特性などに応じて、いずれか1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。特に、難燃性の観点からは、アルミナ、ジルコン、ハフニア、イットリア、ジルコニアなどの使用が好ましい。なお、上記物質名の後の括弧内に示された化学式は、当該物質の代表組成を示すものであり、実際のセラミックの組成がかかる化学式のものに限定されることを意図したものではない。 The ceramic composition may contain heat resistance adjusting particles, for example, for adjusting heat resistance when pouring molten metal into the composition. The heat resistance adjusting particles may be, for example, oxide ceramics such as alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), magnesia (MgO), titania (TiO 2 ), ceria (CeO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ), hafnia (HfO 2 ), barium titanate (BaTiO 3 ), manganese dioxide (MnO 2 ), lime (CaO), zinc oxide (ZnO), red iron oxide (Fe 2 O 3 ), zircon (ZrSiO 4 ), and mullite (Al 6 O 13 Si 2 ), or non-oxide ceramics such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), and boron carbonitride. Alternatively, they may be composite materials containing at least one of these ceramics. These ceramics can be used alone or in combination of two or more depending on the required properties of the fired body. In particular, from the viewpoint of flame retardancy, it is preferable to use alumina, zircon, hafnia, yttria, zirconia, etc. Note that the chemical formulas shown in parentheses after the names of the above substances indicate the representative compositions of the substances, and are not intended to limit the compositions of actual ceramics to those of such chemical formulas.
バインダは、有機バインダまたは無機バインダのうち少なくとも一方からなる。バインダは、有機バインダまたは無機バインダのうち一方のみを含んでもよいし、または両方を含んでもよい。また、バインダはセラミック焼成体の製造方法によらず自由に選択できる。 The binder is composed of at least one of an organic binder and an inorganic binder. The binder may contain only one of an organic binder and an inorganic binder, or may contain both. In addition, the binder can be freely selected regardless of the manufacturing method of the fired ceramic body.
セラミック組成物を射出成形してセラミック焼成体を製造する場合、射出成形に好適な粘度とするために、バインダとして有機バインダを用いることが好ましい。有機バインダとしては、例えば、常温領域(例えば45℃未満、典型的には25±5℃)において固体で、45℃未満の所定の温度にまで加熱されることにより溶融(軟化)し、45℃以上の溶融状態において高い流動性を示す有機バインダが挙げられる。上述のような有機バインダとして、例えば、パラフィンワックスなどの石油系ワックスや、該ワックスと非水溶性ポリオキシエチレン型非イオン性界面活性剤との混合材料などが挙げられる。 When a ceramic composition is injection molded to produce a fired ceramic body, it is preferable to use an organic binder as the binder in order to obtain a viscosity suitable for injection molding. Examples of organic binders include organic binders that are solid in the room temperature range (e.g., below 45°C, typically 25±5°C), melt (soften) when heated to a predetermined temperature below 45°C, and exhibit high fluidity in a molten state at 45°C or higher. Examples of such organic binders include petroleum-based waxes such as paraffin wax, and mixtures of such waxes with water-insoluble polyoxyethylene-type nonionic surfactants.
セラミック組成物を鋳込成形してセラミック焼成体を製造する場合、鋳込成形に好適な粘度とするために、バインダとして無機バインダを用いることが好ましい。無機バインダとしては、例えば、シリケート、アルミノシリケート、チタノシリケートなどの加水分解物が挙げられる。シリケートとして、具体的にはメチルシリケート、エチルシリケート、プロピルシリケート、ブチルシリケートなどの加水分解物が好ましい。 When producing a fired ceramic body by casting a ceramic composition, it is preferable to use an inorganic binder as the binder in order to obtain a viscosity suitable for casting. Examples of inorganic binders include hydrolyzates of silicate, aluminosilicate, titanosilicate, etc. Specific examples of silicate that are preferable are hydrolyzates of methyl silicate, ethyl silicate, propyl silicate, butyl silicate, etc.
上記セラミック組成物には、非晶質シリカや、クリストバライト、バインダ、耐熱性調整粒子の他に、任意の添加物をさらに添加することができる。例えば、カップリング剤、滑剤、可塑剤、離型剤、カーボンなどが挙げられる。なお、カップリング剤は、坏土やスラリーの流動性を向上させるために添加される。また、各原料粒子の分散性を高めるために、表面処理剤として含まれていてもよい。カップリング剤には、バインダとの接合性が良好な高分子化合物を用いることが好ましい。このような高分子化合物は、バインダと結合することにより、坏土やスラリーの流動性を向上させることができる。 In addition to the amorphous silica, cristobalite, binder, and heat resistance adjusting particles, any additives can be added to the ceramic composition. Examples include coupling agents, lubricants, plasticizers, release agents, and carbon. The coupling agents are added to improve the fluidity of the clay or slurry. They may also be included as surface treatment agents to improve the dispersibility of each raw material particle. As the coupling agent, it is preferable to use a polymeric compound that has good bonding properties with the binder. Such polymeric compounds can improve the fluidity of the clay or slurry by binding with the binder.
上述したセラミック組成物を用いて種々の方法で成形した後、焼成することによりセラミック焼成体を製造できる。セラミック組成物の成形は、例えば、射出成形や鋳込成形によって行うことができる。 The ceramic composition described above can be molded by various methods and then fired to produce a fired ceramic body. The ceramic composition can be molded by, for example, injection molding or casting.
まず、射出成形によるセラミック焼成体の製造方法の一例について説明する。例えば、非晶質シリカの粉末とクリストバライトの粉末とを含むセラミック粉末、有機バインダ、および分散材を混合し、坏土を製作する。該セラミック粉末は、坏土全体の60体積%~80体積%とすることができる。有機バインダとしては、ワックスなどの熱可塑性樹脂を使用できる。坏土を60℃~100℃で加温し流動性を持たせ、冷却された金型に射出し、坏土を固化して金型から成形体を取り出す。成形体を1000℃~1350℃で焼成することによりセラミック焼成体が得られる。 First, an example of a method for manufacturing a fired ceramic body by injection molding will be described. For example, ceramic powder containing amorphous silica powder and cristobalite powder, an organic binder, and a dispersing agent are mixed to produce a clay. The ceramic powder can account for 60 to 80% by volume of the entire clay. Thermoplastic resins such as wax can be used as the organic binder. The clay is heated to 60°C to 100°C to give it fluidity, and then injected into a cooled mold, where the clay is solidified and the molded body is removed from the mold. The molded body is fired at 1000°C to 1350°C to obtain a fired ceramic body.
次に、鋳込成形によるセラミック焼成体の製造方法の一例について説明する。例えば、非晶質シリカの粉末とクリストバライトの粉末とを含むセラミック粉末、無機バインダであるエチルシリケートの加水分解液、およびゲル化促進剤としてのアミン類を混合し、セラミックスラリーとする。金型内にスラリーを流し込みバインダのゲル化により固化させ、金型から成形体を取り出し、850℃~1100℃で焼成することによりセラミック焼成体が得られる。 Next, an example of a method for producing a fired ceramic body by casting will be described. For example, a ceramic powder containing amorphous silica powder and cristobalite powder, a hydrolyzed liquid of ethyl silicate, which is an inorganic binder, and amines as a gelation promoter are mixed to produce a ceramic slurry. The slurry is poured into a metal mold and solidified by gelation of the binder. The molded body is then removed from the metal mold and fired at 850°C to 1100°C to obtain a fired ceramic body.
本発明のセラミック焼成体は、非晶質シリカと、クリストバライトとを含み、当該クリストバライトは少なくとも一部が球状のクリストバライトである。上記セラミック焼成体において、球状のクリストバライト結晶相のシリカ成分全体に対する含有比率は、例えば0.1質量%~35質量%である。後述の実施例で示すように、セラミック焼成体において、原料に用いた球状のクリストバライト結晶相の形状は維持されている。そのため、セラミック組成物中のシリカ成分全体に対する球状のクリストバライト結晶相の含有比率は、セラミック焼成体においても維持されるものと考えられる。球状のクリストバライト結晶相を所定量含有することで、耐熱構造用部材の鋳造時の収縮やクリープが起こりにくく、高温での形状安定性に優れる。また、本発明のセラミック焼成体は、上記セラミック組成物を焼成してなるので、金型への充填性に優れるため、精密な構造のセラミック中子なども容易に製造できる。 The fired ceramic body of the present invention contains amorphous silica and cristobalite, and at least a portion of the cristobalite is spherical. In the fired ceramic body, the content ratio of the spherical cristobalite crystal phase to the entire silica component is, for example, 0.1% by mass to 35% by mass. As shown in the examples described later, the shape of the spherical cristobalite crystal phase used as the raw material is maintained in the fired ceramic body. Therefore, it is considered that the content ratio of the spherical cristobalite crystal phase to the entire silica component in the ceramic composition is also maintained in the fired ceramic body. By containing a predetermined amount of the spherical cristobalite crystal phase, shrinkage and creep during casting of heat-resistant structural members are unlikely to occur, and the shape stability at high temperatures is excellent. In addition, since the fired ceramic body of the present invention is produced by firing the above-mentioned ceramic composition, it has excellent filling properties into a mold, and therefore ceramic cores with a precise structure can be easily manufactured.
また、射出成形や鋳込成形によって得られた成形体を上述のような高温条件で焼成すると、一部の非晶質シリカ中の非晶質相は、組成物中の微量金属元素や結晶化促進剤の影響を受けてクリストバライト結晶相に転化する。セラミック焼成体において、シリカ成分中におけるクリストバライト結晶相全体(球状および非球状を含む)の含有比率は40質量%以内であることが好ましい。クリストバライト結晶相全体の含有比率が40質量%よりも大きくなると熱膨張が大きくなり、冷め割れが発生しやすく、セラミック焼成体の機能を損なうおそれがある。なお、非晶質相からクリストバライト結晶相への結晶化を促進する元素としては、例えば、ナトリウム、カリウム、マグネシウムが挙げられる。 In addition, when a molded body obtained by injection molding or casting is fired under high temperature conditions as described above, the amorphous phase in some of the amorphous silica is converted to a cristobalite crystalline phase due to the influence of trace metal elements and crystallization promoters in the composition. In the fired ceramic body, the content ratio of the entire cristobalite crystalline phase (including spherical and non-spherical) in the silica component is preferably 40 mass% or less. If the content ratio of the entire cristobalite crystalline phase is greater than 40 mass%, thermal expansion becomes large, and cooling cracks are likely to occur, which may impair the function of the fired ceramic body. Examples of elements that promote crystallization from the amorphous phase to the cristobalite crystalline phase include sodium, potassium, and magnesium.
本明細書において、セラミック組成物に用いる「クリストバライト」は、クリストバライト結晶化率が80%以上である結晶性シリカを表わすため、球状クリストバライトがシリカ成分全体に対して35質量%含まれている場合、セラミック組成物において、シリカ成分全体に対して実質的に28質量%~35質量%のクリストバライト結晶相を有する。よって、焼成後に非晶質シリカからクリストバライト結晶相へ転化したシリカは、シリカ成分全体に対して5質量%~12質量%であることが好ましい。 In this specification, "cristobalite" as used in the ceramic composition refers to crystalline silica with a cristobalite crystallization rate of 80% or more, so when spherical cristobalite is contained at 35% by mass relative to the entire silica component, the ceramic composition has a cristobalite crystal phase that is substantially 28% to 35% by mass relative to the entire silica component. Therefore, the silica that is converted from amorphous silica to the cristobalite crystal phase after firing is preferably 5% to 12% by mass relative to the entire silica component.
形状および結晶形の異なる複数のシリカの配合比率が、セラミック組成物の充填性、および該組成物から製造されたセラミック焼成体の高温での形状安定性に与える影響を評価するため、表1に示す7種のサンプルを作成し、以下の試験を行った。 To evaluate the effect of the blending ratio of multiple silicas with different shapes and crystal forms on the filling properties of the ceramic composition and the shape stability of the fired ceramic body produced from the composition at high temperatures, the seven types of samples shown in Table 1 were created and the following tests were performed.
非晶質シリカとしては、非球状非晶質シリカ粉末および球状非晶質シリカ粉末の2種を準備した。また、クリストバライトとしては、非球状クリストバライト粉末および球状クリストバライト粉末の2種を準備した。 Two types of amorphous silica were prepared: non-spherical amorphous silica powder and spherical amorphous silica powder. Two types of cristobalite were prepared: non-spherical cristobalite powder and spherical cristobalite powder.
以下に、試験に用いた上記4種のシリカ粉末について示す。
<非球状非晶質シリカ粉末>
形状:非球状
平均粒子径:20μm
<球状非晶質シリカ粉末>
形状:球状
平均アスペクト比:1.1
平均粒子径:6μm
<非球状クリストバライト粉末>
形状:非球状
平均粒子径:10μm
クリストバライト結晶化率:90%以上
<球状クリストバライト粉末>
形状:球状
平均アスペクト比:1.1
平均円形度:0.95
平均粒子径:5.6μm
クリストバライト結晶化率:90%以上
The four types of silica powder used in the test are shown below.
<Non-spherical amorphous silica powder>
Shape: Non-spherical Average particle size: 20μm
<Spherical amorphous silica powder>
Shape: Spherical Average aspect ratio: 1.1
Average particle size: 6 μm
<Non-spherical cristobalite powder>
Shape: Non-spherical Average particle size: 10μm
Cristobalite crystallization rate: 90% or more <spherical cristobalite powder>
Shape: Spherical Average aspect ratio: 1.1
Average circularity: 0.95
Average particle size: 5.6μm
Cristobalite crystallization rate: 90% or more
平均アスペクト比および平均円形度は、光学顕微鏡を備えたシスメックス社製フロー式粒子像分析装置(FPIA-3000)により測定した。また、平均粒子径は、レーザ回折・散乱法粒度分布測定装置(日機装株式会社製粒度分布測定装置マイクロトラックMT3000)により測定した。クリストバライト結晶化率は、RIGAKU社製X線回折装置により、2θ=22°近傍に現れる回折ピークの面積を検量線法により解析して、SiO2の多形(石英、クリストバライト、非晶質シリカなど)のうちのクリストバライト結晶相の比率として算出した。 The average aspect ratio and average circularity were measured using a Sysmex flow particle image analyzer (FPIA-3000) equipped with an optical microscope. The average particle size was measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (Microtrack MT3000, a particle size distribution analyzer manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). The cristobalite crystallization rate was calculated as the ratio of the cristobalite crystalline phase among the polymorphs of SiO 2 (quartz, cristobalite, amorphous silica, etc.) by analyzing the area of the diffraction peak appearing near 2θ = 22 ° using a calibration curve method using an X-ray diffractometer manufactured by RIGAKU Corporation.
実施例1~3、比較例1~3:射出成形
上記粉末を用いて実施例1~3および比較例1~3の射出成形用のセラミック組成物を調製した。射出成形用のセラミック組成物は、非晶質シリカと、クリストバライトとを、表1記載の配合比率で混合するとともに、有機バインダであるWAX#125が30体積%、該非晶質シリカと該クリストバライトとアルミナとを含むセラミック粉末が70体積%となるように調製した。得られたセラミック組成物(坏土)は、70℃に加温して流動性を持たせ、20℃に冷却された金型に射出した。固化した坏土(成形体)を金型から取り出し、該成形体を1000℃~1350℃の温度で焼成することにより、100mm×20mm×3mmのテストピース6種を得た。
Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 3: Injection Molding Using the above powder, the ceramic compositions for injection molding of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were prepared. The ceramic compositions for injection molding were prepared by mixing amorphous silica and cristobalite in the compounding ratio shown in Table 1, and the organic binder WAX#125 was 30 volume % and the ceramic powder containing the amorphous silica, the cristobalite, and alumina was 70 volume %. The obtained ceramic composition (clay) was heated to 70°C to give it fluidity, and injected into a mold cooled to 20°C. The solidified clay (molded body) was removed from the mold, and the molded body was fired at a temperature of 1000°C to 1350°C to obtain six test pieces of 100 mm x 20 mm x 3 mm.
なお、上記試験では、クリストバライト結晶化率90%以上の非球状クリストバライト粉末および球状クリストバライト粉末を用いている。この場合、例えば、実施例1のセラミック組成物の場合、非球状のクリストバライトは実質的に4.05質量%~4.5質量%のクリストバライト結晶相を有し、球状クリストバライトは実質的に0.45質量%~0.5質量%のクリストバライト結晶相を有する。 In the above test, non-spherical cristobalite powder and spherical cristobalite powder with a cristobalite crystallization rate of 90% or more were used. In this case, for example, in the case of the ceramic composition of Example 1, the non-spherical cristobalite has substantially 4.05% to 4.5% by mass of cristobalite crystal phase, and the spherical cristobalite has substantially 0.45% to 0.5% by mass of cristobalite crystal phase.
実施例4:鋳込成形
また、上記粉末を用いて実施例4の鋳込成形用のセラミック組成物を調製した。鋳込成形用のセラミック組成物は、非晶質シリカと、クリストバライトとを表1記載の配合比率で混合するとともに、アルミナと、無機バインダとしてのエチルシリケートの加水分解液と、ゲル化促進剤としてのアミン類をさらに混合して調製した。得られたセラミック組成物(スラリー)は、金型内に流し込み、エチルシリケートが加水分解・脱水縮合することで起きるゲル化反応により固化させた。その後、固化した成形体を金型から取り出し、850℃~1100℃の温度で焼成して100mm×20mm×3mmのテストピース1種を得た。
Example 4: Casting The above powder was used to prepare a ceramic composition for casting in Example 4. The ceramic composition for casting was prepared by mixing amorphous silica and cristobalite in the mixing ratio shown in Table 1, and further mixing alumina, a hydrolyzed liquid of ethyl silicate as an inorganic binder, and amines as a gelation promoter. The obtained ceramic composition (slurry) was poured into a mold and solidified by a gelation reaction caused by hydrolysis and dehydration condensation of ethyl silicate. The solidified molded body was then removed from the mold and fired at a temperature of 850°C to 1100°C to obtain one test piece of 100 mm x 20 mm x 3 mm.
上述の手順で調製した坏土(実施例1~3および比較例1~3)およびスラリー(実施例4)の充填性の代替評価として、回転振動型レオメータ(HAAKEMARSIII)を用いて、10Paにおける粘度(流動性)を測定した。測定条件を以下に示す。結果を表1に示す。
プレート:φ35mm、パラレル
温度 :70℃
ギャップ:0.5mm
As an alternative evaluation of the packing property of the clays (Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3) and slurries (Example 4) prepared by the above-mentioned procedures, the viscosity (fluidity) was measured at 10 Pa using a rotational vibration type rheometer (HAAKEMARSIII). The measurement conditions are shown below. The results are shown in Table 1.
Plate: φ35mm, parallel Temperature: 70℃
Gap: 0.5 mm
焼成した成形体の高温での形状安定性評価として、上述の7種のテストピースについて、1530℃で2時間熱処理したときの変形量を評価した。この際、テストピースの冷め割れも併せて評価した。結果を表1に示す。 To evaluate the shape stability of the sintered molded body at high temperatures, the amount of deformation was evaluated for the seven types of test pieces mentioned above when they were heat-treated at 1530°C for two hours. At this time, the test pieces were also evaluated for cracking due to cooling. The results are shown in Table 1.
また、上述の7種のテストピースを用いて、抗折強度(3点曲げ強度)を、JIS R 1601に準じて測定した。 The flexural strength (three-point bending strength) of the seven types of test pieces described above was also measured in accordance with JIS R 1601.
また、上述の7種のテストピースを用いて、気孔率をアルキメデス法または水銀圧入法に基づき測定される細孔量から算出した。 In addition, using the seven types of test pieces mentioned above, the porosity was calculated from the amount of pores measured based on the Archimedes method or mercury intrusion method.
焼成後のセラミック組成物(テストピース)のクリストバライト結晶化率は、セラミック組成物の場合と同様の方法で測定した。 The cristobalite crystallization rate of the fired ceramic composition (test piece) was measured in the same manner as for the ceramic composition.
球状クリストバライトを所定量含む実施例1~4は、球状のシリカ成分を含まない比較例1(粘度12Pa・s)よりも、坏土/スラリーともに粘度が低かった(0.5Pa・s~8Pa・s)。その結果、実施例1~4のセラミック組成物は、流動性に優れ、金型への充填性が良好であるといえる。一方、クリストバライトが未添加のセラミック組成物を用いた比較例2は、球状の非晶質シリカを所定量含むことから低粘度であるが、テストピースのクリープ特性が低下した。また、シリカ成分全体に対して球状クリストバライトを40質量%含むセラミック組成物を用いた比較例3は、テストピースにおいて冷め割れが発生した。これに対し、シリカ成分全体に対して球状クリストバライトを0.5質量%~35質量%の範囲で含むセラミック組成物を用いた実施例1~4は、テストピースのクリープ特性に優れ、冷め割れも発生しなかった。 In Examples 1 to 4, which contain a predetermined amount of spherical cristobalite, the viscosity of both the clay and the slurry was lower (0.5 Pa·s to 8 Pa·s) than in Comparative Example 1, which does not contain spherical silica components (viscosity 12 Pa·s). As a result, it can be said that the ceramic compositions of Examples 1 to 4 have excellent fluidity and good filling properties into a mold. On the other hand, Comparative Example 2, which uses a ceramic composition to which no cristobalite is added, has a low viscosity because it contains a predetermined amount of spherical amorphous silica, but the creep characteristics of the test piece were reduced. In addition, in Comparative Example 3, which uses a ceramic composition containing 40 mass% of spherical cristobalite relative to the entire silica component, cooling cracks occurred in the test piece. In contrast, Examples 1 to 4, which use a ceramic composition containing 0.5 mass% to 35 mass% of spherical cristobalite relative to the entire silica component, have excellent creep characteristics of the test piece and no cooling cracks occurred.
また、実施例1~4のテストピースの抗折強度は10MPa~20MPaであり、気孔率は25%~35%であった(表1への記載省略)。この結果より、製品に適用可能な良好な特性を有することが分かった。 The test pieces of Examples 1 to 4 had a flexural strength of 10 MPa to 20 MPa and a porosity of 25% to 35% (not shown in Table 1). These results show that the test pieces have good properties that can be used in products.
上述の通り、焼成後に一部の非晶質シリカはクリストバライト結晶相に転化する。実際に、クリストバライトが未添加であった比較例2の場合、テストピースにおけるクリストバライト結晶相全体の含有比率は、シリカ成分全体に対して約3質量%であった。また、実施例1~4のテストピースにおけるクリストバライト結晶相全体の含有比率はいずれも、シリカ成分全体に対して40質量%以下であった。したがって、実施例1~4のセラミック組成物を焼成してなるセラミック中子は、熱膨張が小さく、冷め割れが発生しにくいとともに、高温クリープ特性が良好であり、鋳造に耐えうる特性を有すると考えられる。 As mentioned above, after firing, some of the amorphous silica is converted to the cristobalite crystal phase. In fact, in the case of Comparative Example 2, in which cristobalite was not added, the total content of the cristobalite crystal phase in the test piece was about 3 mass% relative to the total silica component. In addition, the total content of the cristobalite crystal phase in the test pieces of Examples 1 to 4 was 40 mass% or less relative to the total silica component. Therefore, it is believed that the ceramic cores obtained by firing the ceramic compositions of Examples 1 to 4 have small thermal expansion, are less likely to crack when cooled, have good high-temperature creep properties, and have properties that can withstand casting.
図1および図2には、それぞれ実施例2(図1)および比較例1(図2)のテストピースの電子顕微鏡写真を示す。図1では球状の結晶相(球状クリストバライト1)が確認できるが、図2では球状の結晶相は確認できない。この結果より、粗原料として混合した球状クリストバライトは、焼成後も球状を維持していることが分かり、焼結による形状変化が起こらないことが見て取れる。 Figures 1 and 2 show electron microscope photographs of the test pieces of Example 2 (Figure 1) and Comparative Example 1 (Figure 2), respectively. A spherical crystal phase (spherical cristobalite 1) can be seen in Figure 1, but no spherical crystal phase can be seen in Figure 2. From these results, it can be seen that the spherical cristobalite mixed as a raw material maintains its spherical shape even after firing, and that no change in shape occurs due to sintering.
以上、セラミック組成物およびセラミック焼成体の一例について説明したが、本発明のセラミック組成物およびセラミック焼成体は上述の構成に限られない。 Although an example of a ceramic composition and a fired ceramic body has been described above, the ceramic composition and fired ceramic body of the present invention are not limited to the above-mentioned configuration.
本発明のセラミック組成物は金型への充填性に優れるため、精密な構造のセラミック中子などのセラミック焼成体の製造に用いることができる。また、本発明のセラミック焼成体は、耐熱構造用部材の鋳造時の収縮やクリープが起こりにくく、高温での形状安定性に優れるので、複雑な構造の耐熱構造用部材の製造に好適に利用できる。 The ceramic composition of the present invention has excellent filling properties into molds, so it can be used to manufacture ceramic sintered bodies such as ceramic cores with precise structures. In addition, the ceramic sintered body of the present invention is less susceptible to shrinkage and creep during casting of heat-resistant structural components and has excellent shape stability at high temperatures, so it can be suitably used to manufacture heat-resistant structural components with complex structures.
1 球状クリストバライト 1. Spherical cristobalite
Claims (5)
前記バインダは、有機バインダまたは無機バインダのうち少なくとも一方からなり、
前記非晶質シリカは、非球状非晶質シリカであり、
前記クリストバライトは、全てまたは少なくとも一部が球状クリストバライトであり、前記球状クリストバライトは、光学顕微鏡によって測定される平均円形度が0.8~1.0であり、
前記球状クリストバライトは、シリカ成分全体に対して0.1質量%~35質量%含まれていることを特徴とするセラミック組成物。 A ceramic composition comprising amorphous silica, cristobalite, and a binder,
The binder is at least one of an organic binder and an inorganic binder,
The amorphous silica is non-spherical amorphous silica,
The cristobalite is entirely or at least partially spherical cristobalite, and the spherical cristobalite has an average circularity of 0.8 to 1.0 as measured by an optical microscope;
The ceramic composition is characterized in that the spherical cristobalite is contained in an amount of 0.1 mass % to 35 mass % based on the total silica component.
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