JPH04114965A - 高温絶縁用セラミックス - 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、カーボン炉またはタングステン炉等の高温で
且つ不活性ガスや還元性ガスまたは真空炉のように高温
且つ高還元性の雰囲気での使用に適した絶縁用セラミッ
クスに関する。

〔従来の技術〕

高機能金属あるいはセラミックスを製造する高温あるい
は高還元性雰囲気に対する要求はより一段と厳しくなり
、その中でも金属材料に関しては水素等の強運元状態で
の処理が行われ、その製造炉に使用される炉壁材料とし
てはかかる高温で且つ高還元性雰囲気に耐える必要があ
る。

金属製造炉は通常カーボンあるいはタングステンヒータ
の周囲をセラミックスで絶縁することが行われ、また、
加熱制御を行う熱電対に関しても同様に保護または絶縁
のためのセラミックスが用いられている。

従来、このような金属製造炉におけるヒーターや熱電対
の保護、絶縁のためのセラミックスとしては、アルミナ
系セラミックスが主に用いられ、一部にＢＮやムライト
セラミックス等が用いられている。

しかしながら、アルミナ系セラミックスは、温度条件が
厳しくかつ水素等の還元性雰囲気中では、Ａｆ２Ｏ３　
＋　Ｈ２→Ａβ＋Ｈ２Ｏ の反応によってアルミナ自体が分解してしまう。

また、発熱体であるカーボン等と接するような場合にお
いては、 Δβｚｏｓ＋ｃ→Δｆ＋ｃ○ なる反応を生じ、同様に分解する。

そのため、アルミナ系セラミックスを絶縁材として使用
した場合には、頻繁に交換する必要があり、メンテナン
スの繁雑さと費用の増大を招くことになる。

また、ムライト系のセラミックスもアルミナ系以上の還
元反応が引き起こされる。さらに、ＢＮは絶縁管が大気
中に露出すると酸化される欠点を持ち、還元雰囲気炉で
あっても加熱、冷却中に大気と接する可能性のある炉に
おいては安定して使用できない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、（１８００℃程度までの）高温領域に
おいて還元性の強い炉体に使用しても、従来使用されて
きたセラミックスのような分解、酸化等による問題を生
じることのない耐用性の良好な絶縁材料等を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明の高温絶縁用セラミックスは、主としてＲ２Ｏ３
（ＲはＣｅ、Ｐｒを除く３価の希土類元素である）から
なることを特徴とする。

また、Ｒ２Ｏ３−Ａ　ｆ！２Ｏ３であって、Ｒ２Ｏ３／
Ａｌ２Ｏ３／Ａｊ！２Ｏ３のモル比が３１５以上であり
、さらに結晶構造がＲ３ＡＡｓ○１２のガーネット構造
または、ＲＡβ０３ペロブスカイト構造を有する場合に
、上記目的をさらに好適に達成することができる。

〔作用〕

高温でかつ強運元状態で酸化物セラミックスが絶縁部材
として使用される条件を想定し、種々の酸化物セラミッ
クスを高温において水素中で処理＝　４ するかまたはカーボンとの接触反応等を検討したところ
、高温絶縁材料としての機能を長時間持続するた必には
、希土類酸化物の使用が最も適していることを見出した
。

希土類酸化物の熱力学的特性は軽希土類から重希土類ま
でほとんど類似しており、いずれの希土類酸化物を使用
しても絶縁材料として遜色がない。

また、希土類酸化物は通常の大気圧下で使用した場合と
還元状態で使用した場合とでは後者の絶縁抵抗値が高く
なり高温における絶縁材料という観点において好適な性
質となりうる。この特性については十分説明出来るに至
ってないがおそらく酸化物の欠陥構造に起因している可
能性が最も大きいものと考えられる。またＡｆ２Ｏ．と
複合化した材質についてもＲ２Ｏ３単味はどではないが
同様な傾向にある。

また、希土類酸化物は八β２Ｏ３に比較して熱伝導率が
低く熱膨張率が大きいため、小型形状または昇降温の厳
しくない条件下での使用は可能である。しかし、使用環
境によって熱伝導率の高いＡｌ２Ｏ３と複合化させるこ
とによって希土類酸化物の欠点を補足することができる
。

その際のＡｌ２Ｏ３との複合化に際しては、Ｒ２Ｏ，／
Ａ　ｊ２．　Ｏ，のモル比が３１５以」二であることが
不可欠となる。この組成比以下、ずなわぢＡｆ、０３が
過剰であると、フリーのＡｆ２Ｏ３が生成し、雲囲気か
らの還元反応によって優先的にこの部分が金属Ａ！にな
る。このような状態になるとセラミックスが絶縁部材と
しての役割を果たさなくなる。

また、このセラミックスにおいてガーネットまたはペロ
ブスカイトの結晶構造は化学的安定性や耐熱サイクル（
熱的スポーリング）特性に優れている。

さらに、高温の還元雰囲気中では、フリーのＡｌ２Ｏ，
のないガーネットあるいはペロブスカイト構造が保たれ
ているかぎり、Ａ１元素への還元反応は抑制され、実質
的にＲ２Ｏつとほとんど遜色ない安定性を呈することと
なる。

〔実施例〕

実施例１ 純度９９．９％のＹ２Ｏ３粉末を１０００ｋｇ／ｃｍ’
でラバープレス後、１７００℃で２時間焼結し、任意の
形状に加工した。ここで、得られたＹ、０３セラミツク
スを水素雰囲気炉のカーボンヒーターの絶縁用碍子とし
て使用した。この炉を使用して水素雰囲気中で１６００
℃の加熱に使用したところ、６力月以上何の変質や変形
も見られず健全な状態での使用が可能であった。

実施例２ 純度９９．９％がＹ、ｌＡβ５０，３　（イツトリウム
・アルミニウム・ガーネット）の結晶構造を有するセラ
ミックスを実施例１と同様の方法で作成したくここでは
Ａｌ２Ｏ３及び￥２Ｏ．粉末をモル比で、５：３になる
様調整した）。実施例１と同じ状況下で使用したところ
、Ｙ２Ｏ３と全く遜色なく健全な状態で６力月以上の使
用に耐えた。

実施例３ 純度９９％のＹＡ、＆０３　セラミックスを実施例１と
同様の方法で作成した（ここではＡｌ２Ｏ３及び￥２Ｏ
．粉末をモル比て、１．１になる様調整した）。

実施例１に示ず熱電対の保護管として使用したところ、
水素による腐蝕も全く観察されず４力月以上の使用に耐
えた。

実施例４ 純度９９．９％のｙｂ３△β５０１２セラミックスを実
施例１と同様の方法で作成した（ここではＡｌ２Ｏ３及
びｙｂ、ｏ、粉末をモル比で、５・３になる様調整した
）。本セラミックスを水素雰囲気で使用する電気炉の炉
心管として使用した。使用条件は１７００℃であり、急
激な温度勾配があるにもかかわらず外見上の割れもなく
、また内面部にわずかな変色が見られたがほとんど健全
で２Ｏ００時間以上の耐久性が確認できた。

比較例 実施例１に示したものと同じ条件で従来より使用されて
いるＡｌ２Ｏ３セラミックスを絶縁用碍子として使用し
たところ、５時間使用後に変色し２日後にカーボンとの
接触部が還元反応により一部金属Δβに変わり、４日後
には水素による腐蝕またはカーボンとの接触反応による
還元によって本セラミックスの約半分が消失し、絶縁碍
子としての役割を果たさなくなった。

〔発明の効果〕

本発明によって、高温かつ還元状態で使用される絶縁用
碍子、保護管、炉心管等が長期に渡って使用可能になり
、メンテナンスの簡易性の面でも十分な効果が得られる
。また、希土類酸化物は、Ａｌ２Ｏ３に比べて価格的に
約３〜ｌＯ倍であるが、Δβ、０３とＲ２Ｏ，、の複合
材料でも十分な効果が発揮されることが確認されており
、またその効果は４０倍以上であることからコスト／性
能の面から考えて経済的に十分有用である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．主としてＲ＿２Ｏ＿３（ＲはＣｅ，Ｐｒを除く３価
   の希土類元素である）からなる高温絶縁用セラミックス
   。
2. ２．Ａｌ＿２Ｏ＿３を含み、残部が主としてＲ＿２Ｏ＿
   ３（ＲはＣｅ，Ｐｒを除く３価の希土類元素である）か
   らなる高温絶縁用セラミックス。
3. ３．Ａｌ＿２Ｏ＿３を含み、残部が主としてＲ＿２Ｏ＿
   ３（ＲはＣｅ，Ｐｒを除く３価の希土類元素である）か
   らなり、且つ、Ｒ＿２Ｏ＿３／Ａｌ＿２Ｏ＿３のモル比
   が３／５以上である高温絶縁用セラミックス。
4. ４．Ａｌ＿２Ｏ＿３を含み、残部が主としてＲ＿２Ｏ＿
   ３（ＲはＣｅ，Ｐｒを除く３価の希土類元素である）か
   らなり、且つ、Ｒ＿２Ｏ＿３／Ａｌ＿２Ｏ＿３のモル比
   が３／５以上であり、結晶構造がＲ＿３Ａｌ＿５Ｏ＿１
   ＿２のガーネット構造またはＲＡｌＯ＿３ペロブスカイ
   ト構造を有する高温絶縁用セラミックス。