JPH0463023B2 - - Google Patents

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JPH0463023B2
JPH0463023B2 JP59192999A JP19299984A JPH0463023B2 JP H0463023 B2 JPH0463023 B2 JP H0463023B2 JP 59192999 A JP59192999 A JP 59192999A JP 19299984 A JP19299984 A JP 19299984A JP H0463023 B2 JPH0463023 B2 JP H0463023B2
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JP
Japan
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thermal expansion
sintered body
coefficient
cordierite
ceramic sintered
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JP59192999A
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JPS6172679A (ja
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Kazuhiro Inokuchi
Kenichi Hanaki
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Soken Inc
Original Assignee
Nippon Soken Inc
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車の排気ガス浄化用触媒担体、
熱交換用のエレメント等、高い耐熱衝撃性が要求
される製品の構造部材として用いて有効な低熱膨
脹セラミツクス焼結体に関するものである。
〔従来技術〕
従来周知の低熱膨脹セラミツクスとしては、コ
ージエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)、β−
スポージユメン(Li2O・Al2O3・nSiO2、n=2
〜8)、ユークリプタイト(Li2O・Al2O3
2SiO2)およびチタン酸アルミニウム(TiO2
Al2O3)を主成分とするセラミツクスがある。
しかしながら、これ等低熱膨脹性セラミツクス
は、それぞれ次のような長所と短所を有してい
る。
先ずコージエライトは、これ等4種のセラミツ
クスのうちでは最も熱的、化学的安定性にすぐれ
ている反面、熱膨脹係数が最も大きいという問題
がある。
そこでコージエライトの低熱膨脹化をはかるた
め、多くの研究がなされてきた。例えば米国特許
第3885977号には、コージエライト結晶子を配向
させることで少くとも一方向の熱膨脹係数が25℃
〜1000℃の温度範囲で1.1×10-6/℃以下とした
コージエライトセラミツクス焼結体が報告されて
いる。
しかしながら、このような配向性のコージエラ
イトセラミツクス焼結体は方向により熱膨脹係数
が異るため、はげしい冷熱サイクルを伴なう条件
下での使用には耐えられない。
また、等方向なコージエライトセラミツクス焼
結体の理論的な熱膨脹係数の研究としては、M.
E.MilberyとH.D.Blairによる報告(Journal of
the American Ceramic Society.Vol.60、No.7
−8、Jul−Aug.1977のP.372〜373)等で、0℃
〜1000℃の温度範囲で1.1×10-6/℃とされてい
るが、実際には実験室レベルで、室温から1000℃
の温度範囲で1.2×10-6/℃程度が限界であり、
実用上のものでは1.6〜1.8×10-6/℃程度にしか
ならないのが現状である。この熱膨脹係数のコー
ジエライト焼結体では、はげしい冷熱サイクルに
さらされる条件下での使用、例えば自動車のガス
タービンエンジンに用いられる熱交換器等として
の使用には実用上耐えられない。
また、β−スポージユメンとユークリプタイト
は、熱膨脹係数が非常に小さい長所を有する反
面、融点が低く耐熱性および化学的安定性に劣る
という欠点がある。
更に、チタン酸アルミニウムは、高融点を有す
る唯一のセラミツクスではあるが、緻密な焼結体
が得られず、上記4種のセラミツクス中では機械
的強度が最も劣るとともに、比較的低温で分解を
起すため熱的に不安定であり、またその熱膨脹曲
線には熱覆歴があるという欠点がある。
このように、従来知られている低熱膨脹性セラ
ミツクス焼結体には、低熱膨脹性、熱的安定性、
化学的安定性および機械的強度のすべてを満足す
るようなものはなかつた。
〔本発明が解決しようとする問題点〕
本発明は上記の実情に鑑み、コージエライトの
持つすぐれた熱的、化学的安定性と、β−スポー
ジユメンの持つすぐれた低熱膨脹性を兼備し、か
つこれ等よりもすぐれた機械的強度を有する緻密
質低熱膨脹複合セラミツクス焼結体を得ようとす
るものである。
〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、Li2O 0.3〜5.5重量%(以下、単に
%という)、MgO 4.1〜16.4%、Al2O3 20.7〜
42.8%およびSiO2 46.3〜70.1%より主としてなる
化学組成で、コージエライト30%以上、β−スポ
ージユメン5%以上で構成され、20℃〜800℃の
温度範囲での熱膨脹係数が2.0×10-6/℃以下で、
かつ溶融温度が1320℃以上である低熱膨脹セラミ
ツクス焼結体を提供する。この焼結体にはスピネ
ル、ムライト、エンスタタイトおよびフオルステ
ライトのいずれかの第3結晶相の少くとも1種を
含ませることができ、これにより融点を上げるこ
とができる。
2 上記セラミツクス焼結体において更に好まし
くは、Li2O 0.7〜4.3%、MgO 4.1〜12.0%、
Al2O3 22.1〜38.7%およびSiO2 53.8〜66.7%より
主としてなる化学組成で、コージエライト30%以
上、β−スポージユメン12.5%以上で構成された
焼結体であり、20℃〜800℃の温度範囲の熱膨脹
係数が1.2×10-6/℃以下である。
〔作用効果〕
コージエライトを30%以上とすることで、すぐ
れた熱的、化学的安定性を発揮させることができ
る。またβ−スポージユメンを5%以上とするこ
とでコージエライトのみの場合よりも熱膨脹係数
を低くすることができる。またコージエライトと
β−スポージユメンを複合させることで機械的強
度を向上させることができる。
更に、β−スポージユメンを12.5%以上とする
ことで、熱膨脹係数を1.2×10-6/℃以下とする
ことができる。
また、スピネル、ムライト、エンスタタイト、
フオルステライトの結晶を含ませることで、β−
スポージユメン結晶量を増加した際の融点降下を
防止することができる。なお、焼結体の熱膨脹係
数を1.2×10-6/℃以下とし、かつ溶融温度を
1320℃程度に保持せしめるための上記スピネル等
の結晶量の上限は26.5%であり、具体的にはコー
ジエライト30%、β−スポージユメン43.5%でム
ライト26.5%である。
また、コージエライトとβ−スポージユメンの
2結晶の複合化により、熱膨脹係数は方向性がな
く、あらゆる方向でほぼ一定の値をとるため、焼
結体の耐熱衝撃性を向上せしめる効果がある。
実施例 1 別紙の表に示す化学組成となるように調合した
セラミツクス粉末原料に、水およびバインダーを
加えて混合混錬した後、幅3.5mm、長さ50mmのス
リツトを有する押出ダイスを用いて押出成形し、
第1図に示すシート状の成形体を作成し、これを
表に示す焼成条件にて焼成して各々のセラミツク
ス焼結体を得た。
得られた各セラミツクス焼結体について粉末X
線回折による結晶量の定量、20℃〜800℃の温度
範囲での各方向の熱膨脹係数、室温での曲げ強度
および溶融温度の測定をしたところ、表に示す結
果となつた。
ここで、X、Y、Z方向の熱膨脹係数は、第1
図に示すシート状セラミツクス焼結体のX方向
(押出方向)、Y方向(押出方向に直角方向)およ
びZ方向(焼結体の厚さ方向)の熱膨脹係数であ
る。また、X、Y方向の測定用試料は、1枚のシ
ート状セラミツクス焼結体から切出し、幅4mm、
長さ40mm、厚さ3mmに研摩したものであり、Z方
向の測定用試料は、上記押出成形直後のシート状
成形体の複数枚を積層し、圧接して第2図に示す
形状として焼成した後、長さ40mmに研摩したもの
である。
また曲げ強度の測定は、X方向の熱膨脹係数の
測定用試料について、オートグラフ(島津製作
所)を用いて3点曲げ試験により行なつたもので
あり、この時の支点間距離は30mm、クロスヘツド
スピードは0.5mm/分の条件で測定したものであ
る。
表中、合成コージエライト粉末は、比較例Aの
サンプルを微粉砕したもので、合成コージエライ
ト粉末を添加したのはこれが焼成反応の生成核と
なり、焼結が促進されるからである。
以上の結果は表に示される通りである。本発明
品はいずれも20℃〜800℃の温度範囲での熱膨脹
係数は2.0×10-6/℃以下で方向性がなく、かつ
溶融温度も1320℃以上であり、また機械的強度に
すぐれている。
これに対し比較例Aはコージエライトのみであ
つて熱膨脹係数に方向性を有し、かつ機械的強度
が不足する。
比較例Bは、コージエライトがほとんど含まれ
ておらず、ほぼβ−スポージユメンのみであつ
て、機械的強度に劣り、溶融温度も低い。
比較例Cは、化学組成でLi2Oがほとんどなく、
Al2O3が過多でSiO2がやや不足し、焼結体はムラ
イトを主体とする結晶構造で熱膨脹係数が大き
く、かつ機械的強度が不足する。
比較例Dは、化学組成でMgOがやや多すぎ
Al2O3が不足し、焼結体はコージエライト結晶が
少なく、フオルステライト結晶を含むものの低融
点である。また熱膨脹係数も大きい。
比較例Eは化学組成ではLi2Oが過多であり、
焼結体ではコージエライト結晶がほとんどなく、
スピネルを含むものの機械的強度に劣る。
実施例 2 表に示すセラミツク焼結体の中から、X方向の
熱膨脹係数の等しい本発明のサンプル2と比較例
Aを用いて、第3図に示すピツチ0.93mm、壁厚
0.13の1平方インチ当り750個の正方形のセル形
状をもつ外径100mm、高さ76mmの円柱状のハニカ
ム構造体を作成した。
各々のハニカム構造体を室温から所定温度に保
持された電気炉に挿入し50分間加熱した後、すば
やく取り出し室温で50分間放冷する冷熱サイクル
を5回繰り返す耐熱衝撃試験を行なつた。
各々3個の試料が設定温度で5回のテストにす
べて合格した(割れが発生しなかつた)温度を耐
熱衝撃温度として評価したところ、本発明のサン
プル2が1050℃であつたのに対し、サンプルAは
800℃であつた。
これは、本発明のサンプル2が方向によらずほ
ぼ同一の熱膨脹係数をもち、かつ機械的強度にお
いてもすぐれているのに対し、比較例Aは方向に
より熱膨脹係数も異り、熱による歪が大きいこと
に加えて機械的強度が低いことによる。
このように本発明の低熱膨脹セラミツクス焼結
体は、押出成形等のアニソトロピツクな成形手段
でハニカム状の構造体とした場合も、等方的な熱
膨脹係数をもち、かつ機械的強度もすぐれるとと
もに高融点であつて、自動車の排気ガス浄化用触
媒担体や、熱交換器等に極めて好適に利用され得
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は押出成形されたセラミツクスのシート
を示す図、第2図は押出方向に直角な方向の熱膨
脹係数を測定するために用いるセラミツクスシー
トの積層体を示す図、第3図は押出成形されたセ
ラミツクスのハニカム構造体を示す図である。
【表】
【表】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 化学組成がLi2O 0.3〜5.5重量%(以下単に
    %という)、MgO 4.1〜16.4%、Al2O3 20.7〜
    42.8%およびSiO2 46.3〜70.1%より主としてな
    り、結晶相の主成分がコージエライト30%以上、
    β−スポージユメン5%以上からなる、20℃から
    800℃の温度範囲での熱膨脹係数が2.0×10-6/℃
    以下である緻密質低熱膨脹セラミツクス焼結体。 2 化学組成がLi2O 0.7〜4.3%、MgO 4.1〜12.0
    %、Al2O3 22.1〜38.7%およびSiO2 53.8〜66.7%
    より主としてなり、結晶相の主成分がコージエラ
    イト30%以上、β−スポージユメン12.5%以上か
    らなる、20℃から800℃の温度範囲での熱膨脹係
    数が1.2×10-6/℃以下である特許請求の範囲第
    1項記載の緻密質低熱膨脹セラミツクス焼結体。 3 副結晶相としてスピネル、ムライト、エンス
    タタイトおよびフオルステライトの少くとも1種
    の結晶相を含む特許請求の範囲第1項記載の緻密
    質低熱膨脹セラミツクス焼結体。 4 副結晶相としてスピネル、ムライト、エンス
    タタイトおよびフオルステライトの少くとも1種
    の結晶相を26.5%以下含む特許請求の範囲第2項
    記載の緻密質低熱膨脹セラミツクス焼結体。
JP59192999A 1984-09-14 1984-09-14 低熱膨脹セラミツクス焼結体 Granted JPS6172679A (ja)

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