特開 2024-146615 低熱膨張ブロック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024146615

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】低熱膨張ブロック

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/16 20060101AFI20241004BHJP

   C04B 38/00 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

C04B35/16

C04B38/00 303Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023059635

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000220767

【氏名又は名称】東京窯業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000604

【氏名又は名称】弁理士法人 共立特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】羽賀 大介

【テーマコード（参考）】

4G019

【Ｆターム（参考）】

4G019FA15

(57)【要約】

【課題】熱伝導性に優れる低熱膨張ブロックを提供すること。
【解決手段】本発明の低熱膨張ブロックは、粒子径１００μｍ以上の粉末よりなる粗粒粉と、粒子径１０μｍ以上１００μｍ未満の粉末よりなる中粒粉と、粒子径１０μｍ未満の粉末よりなる微粒粉と、よりなる溶融シリカ粉末を焼成してなる低熱膨張ブロックであって、前記微粒粉の少なくとも一部がＳｉＣ粉末に置換され、かつ前記ＳｉＣ粉末が、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、２５～５０ｍａｓｓ％で含有することを特徴とする低熱膨張ブロック。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

粒子径１００μｍ以上の粉末よりなる粗粒粉と、粒子径１０μｍ以上１００μｍ未満の粉末よりなる中粒粉と、粒子径１０μｍ未満の粉末よりなる微粒粉と、よりなる溶融シリカ粉末を成形・焼成してなる低熱膨張ブロックであって、
前記微粒粉の少なくとも一部がＳｉＣ粉末に置換され、かつ前記ＳｉＣ粉末が、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、２５～５０ｍａｓｓ％で含有することを特徴とする低熱膨張ブロック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、低熱膨張ブロックに関する。

【背景技術】

【0002】

セラミックスは、原料粉末を焼成してなるものであり、一般的に耐熱性を有する材料として知られている。セラミックスブロックは高い強度を有しており、高温で使用される部材に用いられる。近年は、耐熱性を備えた高強度の部材としての利用、例えば、被成形物を加熱した状態で成形する成形型や載置台への利用が増加している。
成形型として利用する場合、被成形物の寸法精度を保つために、低熱膨張性である溶融石英主体のシリカブロックが用いられる。例えば、熱膨張率の小さい溶融石英を主体とする耐熱性を備えた高強度の調合耐火物が特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭５６－７８４７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、被成形物を加熱した状態で成形することから、セラミックスブロックにおいては、耐熱性だけでなく、熱伝導性が高いことが求められている。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、セラミックスよりなるブロックであって、熱伝導性に優れる低熱膨張ブロックを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する本発明の低熱膨張ブロックは、粒子径１００μｍ以上の粉末よりなる粗粒粉と、粒子径１０μｍ以上１００μｍ未満の粉末よりなる中粒粉と、粒子径１０μｍ未満の粉末よりなる微粒粉と、よりなる溶融シリカ粉末を成形・焼成してなる低熱膨張ブロックであって、前記微粒粉の少なくとも一部がＳｉＣ粉末に置換され、かつ前記ＳｉＣ粉末が、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、２５～５０ｍａｓｓ％で含有することを特徴とする。
本発明の低熱膨張ブロックは、溶融シリカにＳｉＣ粉末を混合してなることで、熱伝導性が向上する。そして、ＳｉＣ粉末を２５～５０ｍａｓｓ％で含有することで、熱膨張率が過剰に大きくなることが防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】試料Ａ～Ｇの低熱膨張ブロックの断面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施の形態を用いて本発明を具体的に説明する。

【0008】

［実施形態］
本形態の低熱膨張ブロックは、粒子径１００μｍ以上の粉末よりなる粗粒粉と、粒子径１０μｍ以上１００μｍ未満の粉末よりなる中粒粉と、粒子径１０μｍ未満の粉末よりなる微粒粉と、よりなる溶融シリカ粉末を焼成してなる。

【0009】

溶融シリカ粉末は、溶融シリカを主成分とする粒子よりなる粉末である。溶融シリカは、石英ガラスとも称される物質である。一般的には、高純度のケイ石質材を溶融材としたガラス状の非晶質材よりなるものである。特に、溶融シリカは、１０００℃での熱間線膨張率が約０．０５％と低い材料である。なお、溶融シリカを主成分とするとは、溶融シリカの含有割合が最も多く含まれる状態を示し、好ましくは溶融シリカのみからなる。

【0010】

溶融シリカは、熱膨張性が低い材料である。溶融シリカの主成分の溶融石英は、ＳｉＣよりも熱間線膨張率が小さな材料である。つまり、高温にさらされたときの体積変化をより小さくする。このため、本形態の低熱膨張ブロックは、組織のぜい弱化や亀裂の発生が抑えられ、熱衝撃による損傷が生じにくくなり、耐熱性が向上する。

【0011】

本形態において粗粒粉とは粒子径１００μｍ以上の粉末をいう。中粒粉とは粒子径１０μｍ以上１００μｍ未満の粉末をいう。微粒粉とは粒子径１０μｍ未満の粉末をいう。なお、これらの境界値（特に微粒粉の上限値）は、本形態における値であり、当業者の技術常識の範囲で変更してもよい。
そして、本形態の低熱膨張ブロックは、微粒粉の少なくとも一部がＳｉＣ粉末に置換され、かつＳｉＣ粉末が、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、２５～５０ｍａｓｓ％で含有する。

【0012】

ＳｉＣ粉末は、ＳｉＣを主成分とする粒子よりなる粉末である。ＳｉＣは熱伝導率が２７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）と高い材料であり、ＳｉＣ粉末を含有することで、低熱膨張ブロックの熱伝導性が向上する。なお、ＳｉＣを主成分とするとは、ＳｉＣの含有割合が最も多く含まれる状態を示し、好ましくはＳｉＣのみからなる。

【0013】

ＳｉＣ粉末は、低熱膨張ブロック全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、２５～５０ｍａｓｓ％で含有する。ＳｉＣ粉末が２５ｍａｓｓ％以上で含有することで、低熱膨張ブロックの熱伝導性が向上する。ＳｉＣ粉末が２５ｍａｓｓ％未満となると、熱伝導性の向上の効果が得られにくくなる。また、ＳｉＣ粉末が５０ｍａｓｓ％を超えると、低熱膨張ブロックの熱膨張率が大きくなり、変形を生じやすくなる。また、熱衝撃性が低下する。

【0014】

ＳｉＣ粉末は、微粒粉の少なくとも一部を置換する。ここで、微粒粉の一部を置換するＳｉＣ粉末は、粒子径１０μｍ未満の粉末（微粒粉の粒度分布に含まれる粒子径の粉末）である。微粒粉の少なくとも一部がＳｉＣ粉末に置換することで、低熱膨張ブロックにおける粗粒粉、中粒粉、微粒粉の分散性が向上する。

【0015】

ＳｉＣ粉末は、溶融シリカ粉末のうち、粒子径の小さい粉末（微粒粉側の粉末）を置換することが好ましい。ＳｉＣ粉末は、粗粒粉を置換しないことが好ましい。ＳｉＣ粉末が粗粒粉を置換すると、得られる低熱膨張ブロックでは、粒子径１００μｍ以上のＳｉＣ粒子が偏在するようになる。
ＳｉＣ粉末は、溶融シリカ粉末のうち、粒子径の小さい粉末（微粒粉側の粉末）側から置換することが好ましい。粒子径の小さい粉末側から置換することで、ＳｉＣ粉末が粗粒粉を置換することが抑えられる。粒子径の小さい粉末（微粒粉側の粉末）側から置換とは、ＳｉＣ粉末により置換される場合、最初に微粒粉の粉末が置換され、続いて中粒粉の粉末が置換され、最後に粗粒粉の粉末が置換される状態を示す。

【0016】

本形態の低熱膨張ブロックは、少なくとも一部の溶融シリカ粉末がＳｉＣ粉末に置換してなる混合粉末を成形・焼成してなる。焼成条件は、混合粉末粒子が焼結可能な条件であれば限定されない。例えば、大気雰囲気下、１０００℃×６時間の条件で加熱して焼成することができる。混合粉末の成形は、成形可能な方法であれば限定されず、例えば、混合粉末よりなるキャスタブルを調製し、所定の形状の成形型に投入して行うことができる。

【0017】

本形態の低熱膨張ブロックは、混合粉末に含まれるＳｉＣ粉末の粒度分布を測定したときに、粒子径１０μｍ未満の範囲（微粒粉の粒子径の範囲）にピークを持つことが好ましい。この範囲に粒度分布のピークを持つことで、上記の効果を発揮するために十分な量の微粒粉を有することとなる。ここで、ピークを持つとは、少なくとも一つの鋭いピークを持つことを示すものであり、この粒子径の範囲に複数のピークを備えていてもよい。

【0018】

本形態の低熱膨張ブロックは、熱伝導率が０．６（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、０．８（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。熱伝導率がこの範囲になることで、ＳｉＣ粉末の置換の効果がより確認できる。

【0019】

本形態の低熱膨張ブロックは、熱膨張率が０．１（％）以下であることが好ましく、０．０９（％）以下であることがより好ましい。ここで、熱膨張率は、６００℃での熱膨張率を示す。熱膨張率がこの範囲になることで、ＳｉＣ粉末の置換の効果がより確認できる。

【実施例0020】

以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
（実施例）
実施例として、以下の配合を持つ混合粉末を十分に湿式混合して試料Ａ～Ｇのキャスタブルを調製し、所定量の水を添加してモルタルミキサーで混練し、振動台上で所定の型枠内に流し込み、４８時間自然養生後に脱枠し、１１０℃で２４時間乾燥した。その後、大気雰囲気下、１０００℃×６時間の条件で加熱・焼成して試料Ａ～Ｇのセラミックスブロック（低熱膨張ブロック）を製造した。
試料Ａの混合粉末は、粗粒粉：３５ｍａｓｓ％，中粒粉：２５ｍａｓｓ％，微粒粉：４０ｍａｓｓ％の溶融シリカ粉末のみからなる粉末である。本試料は、基準試料に相当する。

【0021】

試料Ｂの混合粉末は、粗粒粉：１０ｍａｓｓ％，中粒粉：２５ｍａｓｓ％，微粒粉：４０ｍａｓｓ％の溶融シリカ粉末、及び粗粒粉：２５ｍａｓｓ％，中粒粉：０ｍａｓｓ％，微粒粉：０ｍａｓｓ％のＳｉＣ粉末からなる粉末である。

【0022】

試料Ｃの混合粉末は、粗粒粉：１５ｍａｓｓ％，中粒粉：１０ｍａｓｓ％，微粒粉：２５ｍａｓｓ％の溶融シリカ粉末、及び粗粒粉：２０ｍａｓｓ％，中粒粉：１５ｍａｓｓ％，微粒粉：１５ｍａｓｓ％のＳｉＣ粉末からなる粉末である。

【0023】

試料Ｄの混合粉末は、粗粒粉：０ｍａｓｓ％，中粒粉：５ｍａｓｓ％，微粒粉：２０ｍａｓｓ％の溶融シリカ粉末、及び粗粒粉：３５ｍａｓｓ％，中粒粉：２０ｍａｓｓ％，微粒粉：２０ｍａｓｓ％のＳｉＣ粉末からなる粉末である。

【0024】

試料Ｅの混合粉末は、粗粒粉：３５ｍａｓｓ％，中粒粉：２５ｍａｓｓ％，微粒粉：１５ｍａｓｓ％の溶融シリカ粉末、及び粗粒粉：０ｍａｓｓ％，中粒粉：０ｍａｓｓ％，微粒粉：２５ｍａｓｓ％のＳｉＣ粉末からなる粉末である。

【0025】

試料Ｆの混合粉末は、粗粒粉：２５ｍａｓｓ％，中粒粉：１０ｍａｓｓ％，微粒粉：１５ｍａｓｓ％の溶融シリカ粉末、及び粗粒粉：１０ｍａｓｓ％，中粒粉：１５ｍａｓｓ％，微粒粉：２５ｍａｓｓ％のＳｉＣ粉末からなる粉末である。

【0026】

試料Ｇの混合粉末は、粗粒粉：１５ｍａｓｓ％，中粒粉：５ｍａｓｓ％，微粒粉：５ｍａｓｓ％の溶融シリカ粉末、及び粗粒粉：２０ｍａｓｓ％，中粒粉：２０ｍａｓｓ％，微粒粉：３５ｍａｓｓ％のＳｉＣ粉末からなる粉末である。
試料Ａ～試料Ｇの混合粉末に含まれるＳｉＣ粉末の粒度分布を測定し（Ｎ＝３）、測定結果を表１に示した。粒度分布の測定は、測定装置を用いて行った。

【0027】

【表1】

【0028】

製造した試料Ａ～Ｇのセラミックスブロックの熱伝導率、熱膨張率、気孔率、嵩比重、曲げ強さ、圧縮強さを測定し、測定結果を表２に示した。また、試料Ａ～Ｇのセラミックスブロックの断面写真を撮影し、図１に示した。
熱伝導率は、熱伝導率測定装置を使用し、レーザフラッシュ法により測定した。熱伝導率の測定温度は常温から１０００℃の範囲で設定し、アルゴン雰囲気下で測定を行った。なお、表２には、６００℃での値を記載した。
熱膨張率は、熱膨張計を用いて常温から１０００℃までの間の伸びを計測し、５０℃における長さに対する百分率を表した。（表２には６００℃の値を記載）
気孔率はＪＩＳ－Ｒ－２２０５（水中重量法）に準じた方法によって測定した。
嵩比重はＪＩＳ－Ｒ－２２０５に準じた方法によって測定した。
圧縮強さはＪＩＳ－Ｒ－２２０６に準じた方法によって測定した。
曲げ強度はＪＩＳ－Ｒ－２２１３に準拠に準じた方法によって測定した。

【0029】

【表2】

【0030】

図１に示したように、ＳｉＣ粉末の置換割合が増加するほど、ＳｉＣ粉末由来の粒子（黒い点）が多く確認できる。特に、試料Ｂのブロックでは、ＳｉＣ粉末由来の粒子（黒い点）が偏在していることが確認できた。一方、試料Ｅ～Ｆでは、ＳｉＣ粉末由来の粒子（黒い点）が微細な状態で均一に分散していることが確認できた。
表２に示したように、ＳｉＣ粉末の置換割合が増加するほど、熱伝導率が高くなる。また、ＳｉＣ粉末の置換を微粒粉で行うと、粗粒粉の場合と比較して熱膨張率を低く抑えることができる。
一方、気孔率及び嵩比重は、大きな変化は確認できない。
ＳｉＣ粉末の置換を多量に粗粒粉で行うと、曲げ強度及び圧縮強度が大きく上昇する。

【0031】

以上のように、ＳｉＣ粉末が２５～５０ｍａｓｓ％で含有するように、粗粒粉を置換することなく微粒粉側から置換した試料Ｅ～Ｆのセラミックスブロック（低熱膨張ブロック）は、高い熱伝導率と低い熱膨張率とを有するブロックとなっている。試料Ｅ～Ｆのセラミックスブロック（低熱膨張ブロック）は、これらの特性から、試料Ｅ～Ｆのセラミックスブロック（低熱膨張ブロック）は、被成形物を加熱した状態で成形する成形型や載置台への利用に好適な材料となっている。

【図1】