JPH0331671B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低密度黒鉛−アルミナ混合物よりなる
コアの焼成、特にコアの焼成を改善する装置に関
する。

アルミナと反応性消失性充填材混合物との混合
材料を用いる方法により酸化アルミニウムコアを
製造する場合、焼成中にコアの歪を防止する特別
な処置が必要である。この種のコアは低密度黒鉛
−アルミナ（LDGA）型コアと称される。

LDGA型コアの処理では、コアの焼成中にア
ルミニウム−酸素−炭素系に生じ得る化学反応に
細心の注意を払う必要がある。コアの焼成中に生
起する初期反応が次式： 2Al₂O₃（ｓ）＋3C（ｓ）→Al₄O₄C（ｓ）＋2CO(g) で表わされることが確認されている。一度この反
応が起つてしまうと、一酸化炭素の分圧P_cpが減
少し始め、現在のところ解つていない化学反応に
よりAl₄O₄C相が消失する。Al₄O₄C相の消失は、
P_cpが0.1気圧以下のときだけ生じ得る。焼成中に
コア包囲炉ガスの流れをコアのまわりでできるだ
け均一にするのが重要であるのは、この理由によ
る。

現在までに、焼成コア断面のミクロ組織の精査
により、密度勾配が炉雰囲気に露出されるコア表
面の方がコア保持具またはセツタと接触するコア
表面より顕著になることがわかつている。この検
査とそれから引き出される結論が示唆するところ
では、Al₄O₄Cの分解により形成されるAl₂Oガス
が凝縮して露出コア表面に選択的にAl₂O₃を形成
する。この結果、コアは焼成処理中に歪んでしま
う。

従つて本発明の目的は、低密度黒鉛−アルミナ
コアを焼成中に支持する新規な改良された装置を
提供することにある。

本発明の他の目的は、低密度黒鉛−アルミナコ
アを焼成するための、コアの表面区域のほゞすべ
てにわたつて良好な乱流ガス流れを達成できる新
規な改良された装置を提供することにある。

本発明は焼成中のセラミツクコアを支持する保
持装置、即ちセツタを提供する。セツタの本体
は、好ましくはコア材料の熱膨張係数に合致また
は近似する熱膨張係数を有するセラミツク材料で
できている。この本体は、頂面および底面をなす
２つの互に反対側の主表面と２つの互に反対側の
側面を有する。穴が１側面からセツタ中を貫通す
る。

セツタの頂面を焼成時にその上に支持されるセ
ラミツクコアの表面と適合する形状に形成する。
複数個の第１溝を頂面に間隔をあけて設ける。各
第１溝を穴の長さ方向軸線とほゞ直角に配向させ
かつその一部が穴と交差するのに十分な深さまで
延在させる。

複数個の第２溝を頂面に間隔をあけて設ける。
各第２溝を本体中にその厚さより短い距離延在
し、第１溝の少くとも１つと交差させ、その交差
する第１溝とほゞ直角に配向させる。各第２溝は
セツタの長さ方向軸線に平行でもある。複数個の
第２溝のいずれも深すぎずセツタの穴と交差しな
いようにするのが好ましい。

セツタ上でコアを焼成するためのレトルトをモ
リブデンでつくるのが好ましい。レトルトはガス
入口および出口手段を有する囲みである。

ガス入口手段にガス配給マニホールドに連結す
る。複数本の第１管状部材は供給ガス流の一部を
下向きにセツタ上に置いたコアに向つて導びく。
複数個の第２管状部材は、供給ガス流の残部をレ
トルト内に置いた各セツタの穴に導びく手段をな
す。穴を通るガス流は吸気作用をなし、第１管状
部材からのガスはコアのまわりを下方へかつコア
の多孔組織中を通つてセツタの溝および穴に流入
し、特にセツタ上に位置するコアの側面から気体
状生成物を効果的に除去する。

次に本発明を図面につき説明する。

第１〜４図に低密度黒鉛−アルミナ（LDGA）
コアの焼成に用いるコアセツタ１０を示す。セツ
タ１０の頂面１２は、焼成のためにセツタ１０上
に置かれるコアの表面の輪郭に適合する形状に形
成される。セツタ１０の材料は、この上で焼成す
べきコアの熱膨張係数とほゞ合致する熱膨張係数
を有する。セツタ材料をコア材料と同じものとし
て焼成後の熱膨張不整合を最小にするのが好まし
い。本例ではセツタ１０の材料をアルミナとす
る。

壁１４は、コアセツタ１０の全長を一側面１６
から他側面１８まで延在する穴を画成する。穴の
軸線は、セツタ１０およびその頂面１２上に支持
されるコア双方の長さ方向軸線とほゞ平行であ
る。

複数対の壁２０および２２は、壁１４およびセ
ツタ１０の長さ方向軸線とほゞ直角に配向された
複数の第１溝を画成する。第１溝は穴と交差して
穴にガス流を出し入れする流路を形成する。複数
対の壁２４および２６は、セツタ１０の長さ方向
軸線および欠とほゞ平行に配向された複数個の第
２溝を画成する。第２溝は第１溝と交差するが、
穴とは交差しない。

第５図および第６図において、コア（図示せ
ず）を載せるセツタ１０を、予想される炉雰囲気
中で約1800℃の温度に４時間以上の期間耐え得る
材料、例えばモリブデンまたはタングステンでつ
くつた箱またはレトルト２８内に配置する。

箱２８にガス配給装置３０を設けて、焼成雰囲
気形成用のガスを適切に箱２８内に配給する。

ガス配給装置３０は、ガス給源３４からのガス
を入口管３２から箱２８内に配置されたマニホー
ルド３６に送る構成である。或はまた、マニホー
ルド３６を箱２８の外に置くこともできる。少く
とも１本の第１配給管３８をマニホールド３４に
連結し、セツタ１０のいずれかの側面１６または
１８にて穴に差込む。先端の閉じられた第２およ
び第３配給管４０および４２それぞれをマニホー
ルド３６に連結し、セツタ１０より上方にかつセ
ツタの長さ方向辺にほゞ平行にこれから離して延
在させる。管４０および４２それぞれに本数個の
開口４４を間隔をあけて設け、これによりガス流
を箱２８内に、好ましくはセツタ１０の頂面１２
およびセツタ上のコアに向つて案内する。先端の
閉じられた第４配給管４６を配給マニホールド３
６に連結し、セツタ１０より上方にかつ２つの隣
接配置されたセツタ１０の中間にかつこれらに
ほゞ平行に延在させるのが好ましい。管４６にも
複数個の開口４８を設け、これによりガス流を箱
２８内に、２つの隣接セツタ１０の頂面１２それ
ぞれに向つて案内する。箱２８の他側面に壁５０
による開口を設け焼成中に焼成雰囲気を箱２８か
ら排気できるようにする。

好ましくは箱２８と同じ材料でつくられた蓋５
２を設けて、レトルト内に炉雰囲気とは独立の制
御された焼成雰囲気を維持する。箱２８と蓋５２
とによりセツタ１０上のコアを焼成するためのレ
トルト５４を形成する。

コアを焼成する間、乾燥水素のようなガスをガ
ス給源３４から入口管３２を経てマニホールド３
６に流す。マニホールド３６によりガスの一部は
第１配給管３８を通つてセツタ１０の穴１４に流
入する。給源３４からのガスの残りはマニホール
ド３６で分割され、ほゞ等量が第２、第３および
第４配給管４０，４２および４６に流れ、管の多
数の穴４４，４８を通つて管内からセツタの頂面
１２およびセツタ上に支持され焼成されるコアに
向けて噴出する。

セツタ１０の穴１４の他端は炉またはレトルト
５４の内部に開口している。第１配給管３８から
セツタの穴内を流れるガスは、管４０，４２およ
び４６により閉止レトルト５４中に噴射されたガ
スに対してアスピレータとして作用する。レトル
ト５４の箱２８の１側面に設けられた穴５０はガ
スを排気するとともにそのガス排出流を限定して
レトルト５４内に正のガス圧を維持する。

各セツタ１０の穴内を流れるガスが吸気作用を
なすと考えられる。この吸気作用によりセツタ頂
面１２上に支持されたコアに向けて送られたガス
が、焼成中のコアのまわりおよびコアの多孔組織
中を流れ、次いで多数の溝を通つてセツタの穴に
流れ、これにより工程中にコアから放出される気
体状反応生成物を効果的に除去する。

黒鉛−アルミナコアを焼成するとき、焼成をコ
アの表面に不均一密度勾配が生じるのを防止する
ように行うことが必須である。表面不均一性はコ
アにクラツキングを起す原因となる不均一緻密化
や過剰な反りの徴候である。焼成処理中の収縮に
基因するドラツグ（抗力）も防止しなければなら
ない。Al₂O₃との反応に先立つ炭素の雰囲気によ
る酸化を防止することも必須である。処理中の炭
素酸化の制御により総合焼成収縮を調節すること
ができる。その理由は、収縮がアルミナとの直接
反応に関与可能な炭素の量に依存するからであ
る。炭素が雰囲気中で不均一に酸化するとコアの
収縮に差が生じる。炭素の不均一酸化またその結
果である収縮差を回避する方法は、コアの厚さが
0.5〜約６mmの範囲で変わるので複雑である。超
乾燥水素、即ちH₂O含量10ppm未満の水素を用
いることにより酸素源、例えばH₂Oを最小量に
し、これにより収縮差を最小にする。

本発明のセツタ１０およびレトルト５４の新規
な設計によれば、Al₂O₃とＣとの間の反応の結果
として生じる反応生成物を迅速かつ均一に除去す
ることができる。これは本発明の主要な利点であ
る。Al₄O₄C相が消失するにつれて、続いて亜酸
化アルミニウムAl₂OまたはAlOとCOとが生成す
る。気体状亜酸化アルミニウムの一部はコアから
放出され、一部は外表面付近で凝縮して表面障壁
層として作用する密度勾配を生じる。コアを囲む
ガスがよどんでいると、P_cpが上昇し、亜酸化ア
ルミニウムは生成しない。この結果収縮差が生じ
るとともに、金属浸透に対する障壁層として作用
する密度勾配が不均一に形成される。本発明の新
規なセツタ１０およびレトルト５４を用いれば、
雰囲気による炭素の不均一酸化を最小限に抑える
一方、反応生成物の除去を促進することによりコ
アのミクロ組織を一層よく制御し、歪を実質的に
なくすことができる。

次に実施例を示して本発明を具体的に説明す
る。

実施例 開口モリブデンボートをつくり、ボートの底に
−20メツシユのアルミナの床を敷いた。アルミナ
床の上に黒鉛−アルミナコアを置き、そのまわり
にアルミナを詰めた。厚さ３mm以上のアルミナで
コアを囲んだ。

コアを入れたボートを制御雰囲気炉に入れた。
炉雰囲気は露点約＋20〓（−6.7℃）を有する水
素であつた。

炉雰囲気を最初に窒素で置換し、次いで水素雰
囲気を導入した。昇温速度約300℃／時での加熱
を1780℃±５℃に達するまで行つた。最高温度に
達したところで、コアをさらに２時間恒温加加熱
し、しかる後炉を常温に冷却した。ボートとコア
を炉から取出し、コアをアルミナから取出して検
査した。

目視検査で、コアが工業的用途には歪みすぎで
あることが確かめられた。コアは弓状に曲がり、
Ｕ形湾曲部分は直線部分より収縮が大きかつた。
コアの設計にはＴ形部分もあり、この部分も歪ん
だ。

実施例 パラフインＰ−21およびＰ−22およびセレシン
Ｃ−245それぞれ33 1/3重量部よりなるパラフイ
ン基剤を含む結合剤を製造した（パラフインおよ
びセレシンはフイツシヤー・サイエンテイフイツ
ク社Fisher Scientific、Inc.の市販品）。

100重量部のパラフイン基剤に４重量部の白蜜
ろう、８重量部のオレイン酸および３重量部のス
テアリン酸アルミニウムを加えた。95℃±10℃に
加熱した100ｇの上記結合剤にまず130ｇの38−
900Al₂O₃（ノートン社Norton Companyの市販
品）を加えた。Al₂O₃の全体に均一な濡れと分散
が完了したところで、570ｇの−120メツシユの
Alundum（ノートン社の市販品）を加え10分間混
合して均一な混合物を得た。

アルミナセツタの所定輪郭表面を形成するため
に、コアの精密加工した逆輪郭のパターンを用い
た。高温の混合材料を鋳型に注入し、約30秒間振
動させて混合材料が鋳型表面を良好に濡らした。
セツタ鋳造品を常温まで冷却し、鋳型から抜き出
した。

セツタ鋳造品をVulcanXC−72黒鉛充填粉末
（キヤボツト社Cabot Corporationの市販品）の
厚さ２〜３cmの床に載せた。次にセツタの上から
十分量の同じ黒鉛粉末を入れてセツタ上の黒鉛粉
末層の厚さを２〜４cmとした。黒鉛粉末を手で軽
く押し固め黒鉛をセツタに密接させた。

黒鉛で囲まれたセツタ鋳造品を空気循環オーブ
ンに入れ、約５℃／時の昇温速度で約160℃±５
℃まで加熱した。この温度に約24時間維持して結
合剤を黒鉛粉末の毛細管作用によりセツタ鋳造品
から抽出した。セツタ鋳造品を炉から取出し常温
に冷却した。次にセツタ鋳造品を充填用黒鉛粉末
から取出し、軟毛塗料ばけで残留粉末を払い落し
た。

次にセツタ鋳造品を空気雰囲気炉に入れ、約25
℃／時の昇温速度で約400℃まで加熱した。次に
昇温速度を約50℃／時に上げて鋳造品を約1500℃
±10℃まで加熱した。鋳造品を1500℃±10℃に約
１時間維持し、しかる後炉を常温またはそれより
僅かに高い温度に冷却した。

脱ろう済み黒鉛−アルミナコアを、コアの最終
焼成表面に合致する形状に成形されたセツタの表
面に載せた。コアおよびセツタを制御雰囲気炉内
の開口モリブデンボートに入れた。雰囲気ガスを
露点約−100〓（−73.3℃）を有する乾燥水素と
した。

炉とボートを窒素で完全に置換し、次いで炉と
ボートに水素ガスを導入した。置換を最低４時間
続け、その後焼成サイクルを開始した。焼成を約
300℃／時の昇温速度で1780℃±５℃まで行い、
この温度でコアを２時間恒温加熱した。コアを常
温に炉冷した後、炉およびオーブン黒鉛粉末から
取出して検査した。

目視検査でわずかな歪がまだ残つていることを
確かめた。わずかな歪はコアが上向き弓状に曲が
りコアセツタから離れている状態として現われ
た。Ｕ形湾曲部分は直線部分よりやはり収縮が大
きかつた。Ｔ形部分は今度は上向きの曲がりと僅
かな内向き曲面を呈した。コアの断面のミクロ組
織を検査したところ、コアの上側、即ちコアセツ
タからもつとも遠く離れたエアーホイル部品の凸
面で密度勾配が一層顕著であることがわかつた。

このコアは工業的用途に不適当であつた。

実施例 実施例の手順を繰返したが、本例では下記の
変更を行つた。

モリブデンボートを、コアの凸面および凹面両
側面に均等なガス流を与えるように変更した。２
本の先端閉じたモリブデン管をボートの長さ方向
にその頂部縁に沿つて延在させた。各管に多数の
孔をドリル穿孔し、この孔から噴出するガス流を
下向きにコアに向つてある角度で導びくようにし
た。これによりガスをコアの凸面側に直接衝突さ
せコアから反応生成物を効率よく除去した。

アルミナセツタの長さに沿つて盲穴をドリル穿
孔した。コアを載せるセツタ表面に浅いカツトを
切込んだ。カツトは穿孔穴と交差した。数個の孔
をドリル穿孔したモリブデン管をセツタの穿孔穴
に完全に挿入した。このモリブデン管は、焼成中
に水素ガス流をコアの凹面側に分配する機能を果
した。

実施例で採用した焼成サイクルに従つてコア
の焼成サイクルを再び実施した。

得られたコアを検査したところ、セツタに挿入
されたモリブデン管の孔がセツタのカツトまたは
条溝のごとく近くにある位置すべてにおいて、セ
ツタおよびコア双方のガス誘起浸蝕が起つたこと
がわかつた。

このコアは工業的用途に不適当であつた。

実施例 実施例の手順を繰返したが、本例では下記の
変更を行つた。

(1) セツタに穴を完全に貫通させてドリル穿孔
し、別の配給用モリブデン管を孔なしでセツタ
のドリル穿孔穴に辛うじて達するだけの長さに
つくつた。この変更を行うことにより真直ぐな
ガス流を形成するとともに吸気効果を達成し
た。

(2) セツタ表面に最初のカツトまたは条溝と約
90°で交差する第２組のカツトまたは条溝をの
こびき形成した。第２のこびきカツトまたは条
溝それぞれをセツタの長さ方向軸線およびドリ
ル穿孔穴とほゞ平行に配向した。しかし、これ
らの第２のこびきカツトまたは条溝はいずれも
穿孔穴の付近で浅く穿孔穴と交差しなかつた。
ボートに蓋を付けて閉止ボート、即ちレトルト
を形成した。レトルトのガス入口端とは反対側
の側面の出口穴を設けた。

焼成後にコアを検査したところ、コアにもセツ
タにもガス誘起浸蝕が起つていないことがわかつ
た。

さらに、改良したセツタ上で焼成したコアはす
べての部分で最小の歪と収縮を呈し、工学的必要
条件を満たした。

このコアは工業的用途に適当であつた。

本発明の新規なセツタ上で焼成するコアの寸法
は、セツタにドリル穿孔する貫通穴が直径1/4イ
ンチとなるような大きさである。のこびきカツト
または条溝は約1/4インチ離し、セツタの向い合
う主表面および穿孔穴と直角である。

好適例においては、水素ガス流を１個以上のセ
ツタのドリル貫通穴を通る流れの合計がレトルト
を流れる水素硫の合計の約３分の１となるように
配分する。従つて全水素流の約３分の２が、１個
以上のセツタより上方をセツタの長さ方向軸線と
平行に延在する高架の先端閉止管を流れる。水素
は高架管の開口から噴出し、下向きに多孔性コア
に向つて、コアのまわりにかつコア中に導びか
れ、その一部はセツタの穿孔穴を流れるガス流の
吸引作用により引つぱられる。このガス流配置
は、コアの焼成中にコアの反応生成物を効果的に
除去する手段となる。

露点＋20〓を有する水素の流動する制御雰囲気
を有する炉内で、閉止レトルト中に流入する水素
ガスを露点−80〓以下に維持しながらコアを焼成
するとき最良の結果が得られる。これを実現する
には、２つの別々の水素給源、即ち炉用と閉止レ
トルト用と別々の水素給源を用いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセツタの斜視図、第２図はセ
ツタの平面図、第３図は第２図の３−３線方向に
見たセツタの断面図、第４図はセツタ頂面の一部
の拡大図、第５図はセツタを配置したレトルトの
斜視図、および第６図はレトルトの平面図であ
る。 １０……セツタ、１２……頂面、１６，１８…
…側面、２８……箱、３０……ガス配給装置、３
２……入口管、３６……マニホールド、３８，４
０，４２，４６……配給管、４４，４８……開
口、５０……出口開口、５２……蓋、５４……レ
トルト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 底面と、 前記底面に固定された２つの互いに反対側の側
   壁と、 前記底面および前記側壁の各側端に固定されて
   囲いを形成する２つの互いに反対側の端壁と、 一方の端壁に配置されたガス入口手段と、 他方の端壁に配置されたガス出口手段と、 前記ガス入口手段に連結されて供給ガスをレト
   ルトの内部に配給するマニホールド手段と、 前記マニホールド手段に連結されて、供給ガス
   の一部を下方へ向けて、前記レトルトの底面に配
   置されたセツタの選択表面区域の上に導びく第１
   管手段と、 前記マニホールド手段に連結され、前記セツタ
   の穴へ差込むための差込手段を具えて供給ガスの
   残部を前記セツタの穴に導びく第２管手段とを具
   えるレトルトから成るセラミツクコア焼成装置。 ２ 前記第１管手段が複数本の先端閉止管よりな
   り、各管に複数個の開口をあけてガス流を下向き
   にレトルトの底面に向つて導びくようにし、前記
   第２管手段が少くとも２本の先端開口管よりな
   り、前記底面、側壁、端壁および管の材料が、モ
   リブデンおよびタングステンから選ばれた金属で
   ある特許請求の範囲第１項記載のセラミツクコア
   焼成装置。 ３ 前記底面、側壁、端壁および管の材料がモリ
   ブデンである特許請求の範囲第１項記載のセラミ
   ツクコア焼成装置。 ４ セラミツクコア焼成装置を完全に閉じる蓋を
   含む特許請求の範囲第１項記載のセラミツクコア
   焼成装置。 ５ 前記底面、側壁、端壁および管の材料が、モ
   リブデンおよびタングステンから選ばれた金属で
   ある特許請求の範囲第２項記載のセラミツクコア
   焼成装置。 ６ レトルトを完全に閉じる蓋を含む特許請求の
   範囲第２項記載のセラミツクコア焼成装置。