(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心管の内部に長尺セラミックス成形体を吊り焼き可能な空間を有し、前記炉心管を隔てて周囲からヒーター等で加熱するようにした焼成炉において、前記長尺セラミックス成形体を保持する回転治具の上部を吊りピンによってバネを介してギアに連結することにより、前記長尺セラミックス成形体をその鉛直方向中心線を軸として回転させる手段を炉体上部に有するとともに、前記炉心管の上部に中蓋を設け、炉体下部に上記回転手段に連動して回転するターンテーブルを備えたことを特徴とする回転焼成炉。
【請求項２】
請求項１記載の回転焼成炉を用いて、焼成炉の内部で、長尺セラミックス成形体の上端を保持するとともに、下端を炉体下部に備えたターンテーブル上に載置し、この長尺セラミックス成形体をその鉛直方向中心線を軸として０．１〜１０回転／分の速度範囲で回転させながら焼成を開始し、長尺セラミックス成形体が自重を保持可能な強度を持つまで焼成した後、長尺セラミックス成形体の下端をターンテーブルから浮上させ、上端のみで吊り下げて焼成することを特徴とする長尺セラミックス成形体の焼成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、細長い棒やパイプ等の長尺セラミックス部品の焼成に使用する焼成炉及びこれを用いた焼成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、シャフトやパイプなどの産業機械部品としてセラミックスが用いられている。これらの長尺セラミックス体はその特殊な形状のため、寸法精度や歩留りの向上を追求する焼成方法が限られており、特に製品の反りの発生を極力抑えて焼成する必要がある場合は吊り焼きと称する方法が採られている。
【０００３】
これは図３に示すように、長尺の成形体１６を吊り冶具２６に吊りピン４等の冶具で固定し、吊り下げて焼成する方法である。この方法によれば、成形体１６の鉛直方向に重力の影響による引っ張り応力が加わった状態で焼成されるため、横にして焼成する場合に比べて反りやゆがみの少ない真直な焼結体を得ることができる。
【０００４】
しかし、吊り焼き焼成でも、成形体１６をセットする位置が炉芯管の炉壁に近くなるにつれて反りが発生するため、反り寸法公差の厳しい製品では焼成歩留りが大幅に低下してしまうという問題があった。このような反りが発生する原因は、成形体１６が炉心管から受ける輻射熱にムラがあるためである。輻射熱は主に炉心管から発生しており、内部で吊られている成形体１６は炉芯管に近接している面の方がその他の面に比べてより多くの熱量を与えられる。このため成形体１６の両側で熱膨張や焼結収縮の差が生じてしまい、結果として、成形体１６に反りが発生するのである。
【０００５】
このため、この輻射熱の影響を減少させるように、焼成中に成形体１６を回転させておくという方法がとられている。これにより、炉内外周部に配置した成形体１６であっても反りの殆ど無いまっすぐな製品を得る事が可能になる。
【０００６】
具体的には、図４に示すように、炉芯管１８内に保持した成形体１６を棒状の回転治具８で吊り下げ、この回転治具８の上端をギア５に連結することによって、焼成中にこのギア５を回転させて成形体１６をその鉛直方向中心線を軸として回転させる方法がとられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図３、４に示す吊り焼き焼成方法では、長尺の成形体１６の上端のみを支持して鉛直方向に吊り下げて、その鉛直方向に加わる重力を利用することによって反りを抑制させる焼成方法であることから、成形体１６の上端部にはその自重が加わることになる。
【０００８】
そして、一般的にセラミックスの成形体１６は、昇温途中において成形助剤が燃焼して抜けた後から焼結が始まるまでの間に、一時的に大幅な強度劣化が生じ、その時の強度が自重保持可能な最低限の強度を下回る場合があった。この場合には、成形体１６の上端部が破損し、落下してしまう恐れがあった。
【０００９】
したがって、吊り焼き焼成の可能な成形体１６の大きさや形状は大幅に限定されており、長いものや肉厚の薄いもの等は吊り焼き焼成ができないという問題点があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑みて、本発明の回転焼成炉は、炉心管の内部に長尺セラミックス成形体を吊り焼き可能な空間を有し、前記炉心管を隔てて周囲からヒーター等で加熱するようにした焼成炉において、前記長尺セラミックス成形体を保持する回転治具の上部を吊りピンによってバネを介してギアに連結することにより、前記長尺セラミックス成形体をその鉛直方向中心線を軸として回転させる手段を炉体上部に有するとともに、前記炉心管の上部に中蓋を設け、炉体下部に上記回転手段に連動して回転するターンテーブルを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明の回転焼成炉を用いた長尺セラミックス体の焼成方法は、焼成炉の内部で、長尺セラミックス成形体の上端を保持するとともに、下端を炉体下部に備えたターンテーブル上に載置し、この長尺セラミックス成形体をその鉛直方向中心線を軸として０．１〜１０回転／分の速度範囲で回転させながら焼成を開始し、長尺セラミックス成形体が自重を保持可能な強度を持つまで焼成した後、長尺セラミックス成形体の下端をターンテーブルから浮上させ、上端のみで吊り下げて焼成することを特徴とするものである。
【００１２】
【作用】
本発明によれば、焼成炉の下部にターンテーブルを備えたことによって、成形体の強度が低い焼成初期には、成形体を上端で保持するとともに下端をターンテーブルに載置させることができ、成形体の破損や落下を防止できる。また、ある程度焼結が進んで成形体の強度が高くなった時に、焼成収縮によって成形体の下端をターンテーブルから浮上するようにしておけば、成形体の自重による引っ張り応力が加わった状態での吊り焼きとなり、反りの発生を防止できる。
【００１３】
つまり、従来の吊り焼き焼成において、焼成できる成形体が限定されていたのは、成形体に自重を支えることが可能な強度を持つことを要求しているからである。実際には、ほとんど全ての成形体がある程度焼結すれば自重を保持可能な強度を持つに至る。にもかかわらず、焼成初期の昇温途中において成形助剤が燃焼して成形体から抜けた後から焼結が始まるまでの間に一時的に大幅な強度劣化が生じ、その時の強度が自重保持可能な最低限の強度を下回るような成形体が多いのである。
【００１４】
そこで、上記のような一時的に強度が大幅に劣化している状態のとき、その成形体の下端をターンテーブルに載置し、上端部に自重（引っ張り荷重）が掛からないようにすれば、ほとんど全ての成形体で吊り焼き焼成が可能になるのである。
【００１５】
【実施例】
以下本発明実施例を図によって説明する。
【００１６】
図１に示すように、焼成炉の炉体１７内には長尺セラミックスの成形体１６を複数吊り焼き可能な縦長の空間が炉心管１８内部に確保されており、その外部からヒーター１３で加熱されるようになっている。炉心管１８の上部には成形体１６の断面より僅かに大きな孔が入炉本数と同じ数だけ開いた中蓋１４を、対流熱の上昇を抑制する目的で設置している。中蓋１４の孔の両側には成形体１６を入出炉しやすいようにテーパーをつけている。
【００１７】
更にその上には耐火ボード製の上蓋１０を炉心管ガイド１１を間において乗せている。上蓋１０には中蓋１４と垂直方向の同じ位置に成形体１６が通るための孔が設けてあり、それぞれの孔にはガイド管１２が納まっている。このガイド管１２は上蓋１０から出るアルミナ、シリカの粉が成形体１６へ付着することをを低減させるためのものであり、その上下両端面はテーパー状となっている。上蓋１０と中蓋１４の間は、炉心管１８の熱膨張を考慮して数ｃｍ程度の隙間が設けてある。
【００１８】
一方、焼成炉の上部にはギヤ駆動式の回転装置が設置されている。モーター１が駆動することにより、シャフト２４、駆動チェーン２及び中間ギヤ３を通じて、固定板６上の上部ギア５が回転するようになっている。また固定板６と上蓋１０との間には遮熱板７が設けられている。
【００１９】
一方、焼成炉の炉底部には、上部ギア５の鉛直方向線上にターンテーブル１９が備えられ、このターンテーブル１９は下部ギア２０に直結して、固定板２１上で回転自在に保持されている。そして、上記モータ１が駆動することにより、シャフト２４、駆動チェーン２３、中間ギア２２を通じて、下部ギア２０及びターンテーブル１９が回転するようになっており、この回転は上部ギア５の回転と連動している。各ターンテーブル１９は高さ調節機構を備えており、成形体１６の全長や収縮率に合わせて高さを調節することができる。
【００２０】
成形体１６は、その上端部に接続ピン１５を用いて棒状の回転治具８を接続し、上部ギア５の孔から上蓋１０、中蓋１４の孔を通って炉内に入炉し、炉底部のターンテーブル１９上に立てる。そして回転治具８の上部を吊りピン４によって上部ギア５に連結するが、両者間にはバネ２５を介在して回転治具８の荷重を分散させている。最後に上蓋１０のガイド管１２と回転治具８の間に熱漏れ防止キャップ９をはめ込んで隙間を埋める。このようにして複数の成形体１６を入炉後、モーター１を駆動させれば上部ギア５とターンテーブル１９の回転に伴って、炉内の成形体１６を全て回転させることができる。
【００２１】
なお、上記回転治具８やターンテーブル１９の材質としては、耐熱性に優れたセラミックスを用い、特に高純度アルミナを用いれば成形体１６に悪影響を及ぼすことがない。
【００２２】
次に、上記回転焼成炉を用いた本発明の長尺セラミックス体の焼成方法を説明する。
【００２３】
まず、図２（Ａ）に示すように、成形体１６を上部ギア５の穴を通して入炉し、炉底部に設けたターンテーブル１９に載置する。成形体１６の上端部には回転治具８を接続しておき、この回転治具８の上端部は上部ギア５の切れ込み部５ａに吊りピン４を通し、バネ２５を介在させて連結する。
【００２４】
この状態で、上部ギア５とターンテーブル１９を連動させて回転させながら焼成を開始する。成形体１６はターンテーブル１９に載置しているため同時に回転を始め、成形体１６の強度が大幅に劣化する時期を含む焼成初期の間、この状態で回転し続ける。成形体１６はターンテーブル１９で自重を支えられているため引っ張り荷重が掛からず、通常の吊り焼き焼成で生じるような破損や落下による破壊が発生しない。
【００２５】
そして、成形体１６の焼結が始まると、その分だけ成形体１６が収縮し回転治具８を含む全長が短くなり、回転治具８に接続されている吊りピン４がバネ２５を押圧して、より深く上部ギア５の切れ込み部５ａに入って行く。最終的に図２（Ｂ）に示すように、吊りピン４が切れ込み部５ａの最下部まで入り、上部ギア５に引っ掛かった状態となる。
【００２６】
これ以後は、図２（Ｃ）に示すように収縮に伴い成形体１６の下端部がターンテーブル１９から浮き上がり、通常の回転焼成と同じように上端部のみで支持されて吊り下げられた状態になる。その後は通常の吊り焼き焼成と同様に焼成され、反りを小さくして焼成することができる。この時には、成形体１６はある程度の焼結が進行しており、自重を保持するのに充分な強度を有しているため、上端部のみを支持しても破損したり落下したりする恐れはない。つまり、成形体１６が自重を保持可能な強度まで焼結したときにちょうど浮き上がるように、ターンテーブル１９の高さを予め調整しておけば良いのである。
【００２７】
以上のように、本発明の回転焼成炉を使用すれば、ある程度焼結するまで成形体１６の上端部に引っ張り荷重を掛けることが無いため、自重を支えることが難しいような成形体１６であっても、吊り焼き焼成により真直度の高い焼結体を得る事が可能になる。
【００２８】
また、上部ギア５及びターンテーブル１９による成形体１６の回転速度は、０．１〜１０回転／分の範囲内が好ましい。これは、０．１回転／分より遅いと回転させる効果に乏しく、逆に１０回転／分よりも速いと遠心力によって製品に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。しかし製品形状によっては、速度範囲内であっても無視できぬ程の遠心力が発生して製品に悪影響を与えることが考えられる。また昇降温速度によっては一回転する間の成形体１６の両側面で受ける熱量差が開きすぎて反りが発生することも考えられる。したがって、回転速度は製品形状と昇降温速度を充分考慮して適宜選択しなければならない。
【００２９】
以上のような本発明の焼成方法は、アルミナ、ジルコニア、ムライト、コージライト、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等の各種セラミックスの焼成に適用することができる。また、上記実施例では円筒状の成形体１６についてのみ説明したが、円柱状やその他の長尺形状であっても同様に本発明を適用できることは言うまでもない。
【００３０】
実験例
ここで、本発明の回転焼成炉を用いて長尺セラミックス管を焼成した例を示す。
【００３１】
８モル％のＹ2 Ｏ3 を含むジルコニア粉末原料にバインダーを添加して混練し、押出成形により全長１２００ｍｍ、外径２５ｍｍ、肉厚３ｍｍの薄肉長尺セラミックス管の成形体１６を得た。この成形体１６を焼結温度より低い温度で予備焼成を行って脱脂した。そして成形体１６の上端から３０ｍｍの位置に成形体１６の径方向に直径７ｍｍの貫通孔をボール盤等で設け、成形体１６上端の開口部から回転冶具８を挿入して、貫通孔から耐クリープ性の高いセラミックス製の接続ピン１５を通して回転冶具８と成形体１６を連結した。そしてこの成形体１６を８本用意し、前述した通りの方法で図１に示す回転焼成炉に入炉した。そして成形体１６を３回転／分で回転させながら所定の温度で焼成した。
【００３２】
ちなみに、上記の成形体１６は薄肉であるため、これまでは吊り焼き焼成ができなかった。そのため従来は吊り焼き用の縦型炉の炉底にスペーサーをいれて成形体１６を立たせ、ある程度焼結した後に吊り焼き状態になるようにして焼成していた。比較例としてこのような従来の焼成方法により同じ条件で焼成した。
【００３３】
両方の焼成方法で得られた各８本の製品のそり量を測定したところ、表１に示す通りであった。比較例の製品は反り量が平均３．５ｍｍもあるのに対し、本発明の方法で得られた製品の反り量は平均で０．６ｍｍ以下と比較例の約６分の１になり、優れた反り抑制効果が確認された。
【００３４】
このように本発明の回転焼成炉を使用することにより、従来吊り焼き焼成をする事が困難であったような成形体であっても、回転焼成して反りの殆ど無いまっすぐな製品を得る事が可能となり、生産性の向上に貢献出来ることがわかる。
【００３５】
【表１】
0003666901.tif 000002
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、炉体上部に長尺セラミックス成形体を保持し、かつその鉛直方向中心線を軸として回転させる手段を有するとともに、炉体下部にこの回転手段に連動して回転するターンテーブルを備えて回転焼成炉を構成したことによって、成形体の強度が低い焼成初期には、成形体を上端で保持するとともに下端をターンテーブルに載置させることができ、成形体の破損や落下を防止できる。また、ある程度焼結が進んで成形体の強度が高くなった時に、焼成収縮によって成形体の下端をターンテーブルから浮上するようにしておけば、成形体の自重による引っ張り応力が加わった状態での吊り焼きとなり、反りの発生を防止できる。
【００３７】
したがって、どのような大きさ、形状の長尺セラミックス体であっても、容易に高い真直性の製品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転焼成炉を示す断面図である。
【図２】本発明の長尺セラミックス体の焼成方法を説明するための図である。
【図３】従来の吊り焼き焼成方法を説明すための斜視図である。
【図４】従来の回転焼成炉を示す断面図である。
【符号の説明】
１：モーター
２：駆動チェーン
３：中間ギア
４：吊りピン
５：上部ギア
６：固定板
７：遮熱板
８：回転治具
９：熱漏れ防止キャップ
１０：上蓋
１１：炉心管ガイド
１２：ガイド管
１３：ヒーター
１４：中蓋
１５：接続ピン
１６：成形体
１７：炉体
１８：炉心管
１９：ターンテーブル
２０：下部ギア
２１：固定板
２２：中間ギア
２３：駆動チェーン
２４：シャフト
２５：バネ
【図１】
0003666901.tif 000003
【図２】
0003666901.tif 000004
【図３】
0003666901.tif 000005
【図４】
0003666901.tif 000006