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JP2813132B2 - セラミックばね - Google Patents

セラミックばね

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Publication number
JP2813132B2
JP2813132B2 JP6083816A JP8381694A JP2813132B2 JP 2813132 B2 JP2813132 B2 JP 2813132B2 JP 6083816 A JP6083816 A JP 6083816A JP 8381694 A JP8381694 A JP 8381694A JP 2813132 B2 JP2813132 B2 JP 2813132B2
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JP
Japan
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mullite
spring
sic
ceramic
vol
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JP6083816A
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繁美 佐藤
▲ミン▼▲チョル▼ 秋
康良 小林
柱 安藤
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NHK Spring Co Ltd
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NHK Spring Co Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックばね材並び
にセラミックばね及びその製造方法に関し、特に、高温
の雰囲気で使用するのに適するセラミックばね材並びに
セラミックばね及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のセラミックばねの材料には、部分
安定化ジルコニアや窒化けい素が用いられていた。部分
安定化ジルコニアは、酸化物セラミックスであり、応力
誘起マルテンサイト変態を利用した強靱化構造により、
室温で高強度であるが、高温では強度が低下し、耐熱性
に劣るという欠点がある。また、窒化けい素は、非酸化
物であり、燒結後の結晶粒形状が柱状晶であることか
ら、強靱な材料であり、さらに1000℃程度までほと
んど強度低下しない。しかしながら、より一層高温にな
ると、燒結助剤として添加した酸化物セラミックス(A
23、MgO、CeO、Y23)の影響により強度低
下するばかりでなく、非酸化物であるため、高温(10
00℃以上)の雰囲気では酸化劣化するという欠点があ
る。
【0003】このように従来のセラミックばね材として
の部分安定化ジルコニアや窒化けい素にあっては、10
00℃以上の高温の雰囲気で安定して使用することがで
きなく、セラミックばねを各種高温装置に使用すること
ができないという問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
問題点に鑑み、本発明の主な目的は、1000℃以上の
高温の雰囲気でも強度低下せずかつ安定して使用可能な
セラミックばね材並びにセラミックばね及びその製造方
法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によれば、ムライトからなるマトリクスに炭化物の微
細粒子を1〜30vol%の範囲内で分散させた複合焼結
体を製作し、前記複合焼結体を1200〜1400℃で
あって0.5〜5時間の範囲内で熱処理して形成した
ね材からなることを特徴とするセラミックばを提供す
ることにより達成される。特に、前記微細粒子が、Ti
C、SiC、VC、NbC、B4C、TaC、WC、H
fC、Cr3C2、ZrCの少なくとも1種類以上から
なると良い。
【0006】
【作用】このように、弾性率が低くばねのようなたわみ
を要求するものに適合し、かつ高温度(約1400℃)
まで強度劣化しない材料としてのムライト(3Al23
・2SiO2)中に微細な炭化物粒子を所定量分散させ
ることにより、ムライトと炭化物粒子との間の熱膨張差
により残留応力が発生し、強靭化されると共に、マトリ
ックスであるムライト結晶の粒径よりもかなり小さい粒
径の炭化物粒子がムライト結晶の粒内にも存在して、マ
トリックスを強化し、また、粒径の大きな粒子が粒界に
存在して、クラックの進行を妨げることにより強靭化し
得る。また、ムライト中に微細な炭化物粒子を分散させ
た複合焼結体を所望の形状に加工し、1200℃〜14
00℃以下で熱処理してセラミックばねを形成すること
により、強度を好適に高め得る。
【0007】
【実施例】以下、本発明の好適実施例を詳しく説明す
る。
【0008】本発明が適用されるセラミックばねは、高
温や腐食性ガスの雰囲気で使用されるばねとして用いる
のに適するものであり、例えば、ガスタービンや固体燃
料電池の高温装置に於ける熱膨張吸収用ばねとして用い
られる。
【0009】上記ばねの材料としてのセラミックばね材
は、ムライト(3Al23・2SiO2)中に微細な炭
化物粒子としてのTiCを添加して作られる。例えば、
平均粒径0.2μmのムライト粉末(Al23の含有率
71.8wt%)に、平均粒径1.30μmのTiC粉末を所
定量配合し、アルコール中でナイロンボールを用いて2
4時間湿式混合した後、エバポレータで溶媒を抽出し、
更に真空乾燥炉を用いて乾燥させて、混合粉末を調整す
る。この粉末を燒結温度1650℃で4時間、N2ガス
雰囲気中で、圧力35MPaでホットプレスして、ムラ
イト中に微細な炭化物粒子を分散させた複合燒結体を製
作する。上記燒結体から所望の形状のばねを製作するこ
とができる。
【0010】なお、上記実施例では炭化物粒子としてT
iCを添加した場合について示したが、TiCに限るも
のではなく、SiCを用いても良い。この場合には、平
均粒径0.27μmのSiC粉末を用いて、他の条件は
前記と同様であって良い。さらに、ムライトと燒結過程
で反応しないものであれば他の炭化物であって良く、例
えば、VC、NbC、B4C、TaC、WC、HfC、
Cr32、ZrCなどを用いることができ、また、複数
種用いても良い。
【0011】このようにして製作されたセラミックばね
の機械的特性を以下に示す。まず、上記燒結体から3×
4×40mmのサイズの試験片を板ばねとして切り出
し、炭化物粒子としてTiC・SiCを用い、各添加量
が0から5vol%刻みで20vol%までの各試験片を用意
する。その表面を研削・研磨する。その弾性率を3点曲
げ法で測定し、硬度をビッカース硬度計で測定し、破壊
じん性を、荷重49N、保持時間15秒の条件下でのI
F法で評価し、破壊強度を、スパン長さ30mm、クロ
スヘッド速度0.5mm/分の3点曲げ試験で測定し
た。
【0012】ムライト単体の平均粒径は1.70μmで
あり、ムライト・20vol%TiCの平均粒径は1.1
μmであり、ムライト・20vol%SiCの平均粒径は
0.5μmであった。弾性率は、ムライト単体(約21
0GPa)に対して添加率の増大に伴って大きく(20
vol%で約230GPa)なる傾向を示した。また、硬
度は、添加率に依存せず、ほぼ一定(11GPa)であ
った。
【0013】図1に、TiCの各添加率と、破壊応力及
び破壊じん性との各関係の試験結果を示す。図に示され
るように、添加率の増大に伴って、破壊応力及び破壊じ
ん性共増大し、破壊応力では、ムライト単体(331M
Pa)に対して、20vol%TiC添加ばねが約1.2
3倍(408MPa)まで向上し、破壊じん性では、
2.65MPa・m1/2から3.88MPa・m1/2まで
約1.46倍向上した。図2は、SiCの各添加率に対
する図1と同様の図である。この場合には、添加率の増
大に伴って、破壊じん性はそれ程大きく変化しなかった
が、破壊応力は、増大し、20vol%SiC添加ばねが
約1.68倍(556MPa)まで向上した。
【0014】炭化物粒子の添加率の増大に伴って強度が
増大するのは、ムライト中に微細な炭化物粒子を分散さ
せることにより、ムライトと炭化物粒子との間の熱膨張
差により残留応力が発生して強靱化されると共に、マト
リックスであるムライト結晶の粒径よりもかなり小さい
粒径の炭化物粒子がムライト結晶の粒内に存在してマト
リックスを強化し、また、粒径の大きな粒子が粒界に存
在してクラックの進行を妨げることにより強靱化される
と考えられる。
【0015】なお、上記試験結果から、炭化物添加率
は、1〜30vol%の範囲内で、目的に合わせて変化さ
せると良い。添加率の増加に伴って強靱化するが、弾性
率も増加するため、目的に合わせて添加量を選定する必
要がある。いずれにしても、高温や腐食性ガス雰囲気で
使用可能なセラミックばねの材料として適する。
【0016】次に、上記複合焼結体を熱処理してセラミ
ックばねを製造する場合について図3を参照して以下に
示す。
【0017】前記したように、ムライト原料粉末と炭化
物(TiCあるいはSiC粉末)とを前記と同様に湿式
混合し(ステップST1)した後、エバポレータで溶媒
を抽出してから真空乾燥炉を用いて乾燥して混合粉末を
調整し、その粉末を前記と同様にホットプレスして複合
焼結体を製作し(ステップST2)、その焼結体を研削
及び研磨による機械加工にて前記と同形状の3×4×4
0mmのサイズの試験片をばね片として製作する(ステ
ップST3)。そのばね片を、大気中で例えば1300
℃の温度で1時間熱処理する(ステップST4)。
【0018】図4に、上記条件で熱処理を行ったばね片
のSiCの各添加率と破壊応力との関係の試験結果を示
す。図には、ムライト単体と、平均粒径0.27μmの
SiC粉末を用いた場合と、平均粒径1.20μmのS
iC粉末を用いた場合との各場合について、それぞれ上
記熱処理の実施の有無に分けて示している。
【0019】図から分かるように、ムライト単体の場合
には、熱処理による破壊応力の向上がほとんど認められ
ないが、ムライト/SiC複合体の場合には、上記熱処
理を行うことにより破壊応力が著しく向上した。特に、
SiCを20vol%添加した場合には、熱処理を行わ
なかった場合の約600MPaから約800MPaまで
増大し、約30%向上した。
【0020】また、図5及び図6に、平均粒径0.27
μmのSiC粉末を用いた場合と、平均粒径1.20μ
mのSiC粉末を用いた場合との各場合について、それ
ぞれ1200℃で2時間、1300℃で1時間、140
0℃で0.5時間の熱処理を行った場合のSiCの各添
加率と3点曲げ破壊試験による曲げ強さとの関係の試験
結果を示す。なお、図5の平均粒径0.27μmのSi
C粉末を用いた場合には1300℃で5時間の熱処理を
行った場合についても示している。
【0021】図5及び図6に示されるように、それぞれ
SiC粉末を20vol%添加した場合に曲げ強さが高
く、1300℃で1時間の熱処理を行った場合に最も強
度が向上した。また、熱処理温度の上限としては、焼結
温度(本実施例では1650℃)以下であれば良いが、
好ましくは実施例で示した1400℃以下である。
【0022】
【発明の効果】このように本発明によれば、高温強度特
性に優れ1400℃まで強度劣化せず、かつばねのよう
にたわみを要求するものに適するように低い弾性率を有
するが、強度自体及び破壊じん性値がそれ程大きくない
ムライトを、微細な炭化物粒子の所定の添加により、強
度・じん性を向上でき、さらに、ムライトに炭化物を分
散させた複合焼結体を1200℃〜1400℃以下で熱
処理してセラミックばねを製作することにより、破壊応
力や曲げ強さが向上し、より一層高温の雰囲気で使用可
なセラミックばねを得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】TiCの添加率に対する破壊応力及び破壊じん
性の各関係を示す図。
【図2】SiCの添加率に対する破壊応力及び破壊じん
性の各関係を示す図。
【図3】本発明に基づくセラミックばねの製作工程を示
すフロー図。
【図4】SiCの添加率に対する破壊応力の関係を示す
図。
【図5】平均粒径0.27μmのSiCの添加率に対す
る曲げ強さの関係を示す図。
【図6】平均粒径1.20μmのSiCの添加率に対す
る曲げ強さの関係を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−178032(JP,A) 特開 昭62−7659(JP,A) 特開 平4−104945(JP,A) 特開 昭61−174165(JP,A) 特開 昭61−247655(JP,A) 特開 平4−77355(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/00 - 35/22

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ムライトからなるマトリクスに炭化物
    の微細粒子を1〜30vol%の範囲内で分散させた複合
    焼結体を製作し、前記複合焼結体を1200〜1400
    ℃であって0.5〜5時間の範囲内で熱処理して形成し
    ばね材からなることを特徴とするセラミックばね。
  2. 【請求項2】 前記微細粒子が、TiC、SiC、V
    C、NbC、B4C、TaC、WC、HfC、Cr3C
    2、ZrCの少なくとも1種類以上からなることを特徴
    とする請求項1に記載のセラミックばね。
JP6083816A 1993-09-27 1994-03-29 セラミックばね Expired - Fee Related JP2813132B2 (ja)

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