(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複層構造のセラミックス体を製造する方法において、耐熱性型枠内に、特定組成のセラミックス原料混合物と、金属粉末又は金属化合物粉末にバインダーを加えて水で練って針状に成形した針状体とを攪拌した表材を充填するとともに、上記針状体を表材の表面にその上部が覗く状態で突き刺しておき、その上に異なる組成のセラミックス原料混合物と上記針状体とを攪拌した基材を重ねて充填し、この耐熱性型枠を針状体の融点未満で加熱することにより、上記針状体が表材と基材とにまたがって互いに突き刺さる状態で焼結させて表材及び基材を一体的に焼成したことを特徴とする複層セラミックス体の製造方法。
【請求項２】
基材及び表材の一方又は両方が発泡性のセラミックス体である請求項１の複層セラミックス体の製造方法。
【請求項３】
針状体が、直径０．１〜３ｍｍ、長さ５〜３０ｍｍのものである請求項１又は２の複層セラミックス体の製造方法。
【請求項４】
金属又は金属化合物が、タングステン、ニッケル、クロム、モリブデン、硫酸鉄、硫酸銅よりなる群から選択された一又は複数のものである請求項１〜３いずれかの複層セラミックス体の製造方法。
【請求項５】
耐熱性型枠の内面に所定模様の凹凸が形成され、焼成された表材又は基材の表面に当該模様が転写される請求項１〜４いずれかの複層セラミックス体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかの複層セラミックス体の製造方法によって製造された複層セラミックス体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複層セラミックス体の製造方法及びこの方法によって製造された複層セラミックス体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発泡性セラミックス原料混合物の中に焼結金属材料の粉末を混合して焼成することにより、この金属材料の粉末を焼結させ、得られた発泡セラミックス体の強度の向上を図ろうとする案件が特許第２９９３９４８号として提案されている。この案件では、金属材料の粉末（フラックス）をセラミックス原料混合物の中に筋状に播いており、これが焼結されると、あたかもコンクリートの中の鉄筋のような存在になって強度を高めようとするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法によると、金属材料の粉末を播くのに手間がかかることから、製造コストを引き上げる。又、当該粉末をセラミックス原料混合物の中に点在的に分布させることができないから、焼成時、所謂、焼き割れを生じさせることがある。この焼き割れを防ぐには、セラミックス原料混合物の組成体の耐破壊応力を高めるとともに、熱歪みに基づく組成体組織間のずれを拘束する必要がある。ところが、金属粉末の焼結したものは、これを助成する働きがあるものの、上記した鉄筋的なものにすぎないと、補強は部分的にしか行われず、これが存在しない個所では何ら強化されない。
【０００４】
更に、上記のような混入の仕方では、筋を縦に延ばすことができない。従って、焼成に際してセラミックス原料混合物を上下に重ねるような場合、その境界層に介在させて異なる原料混合物間にまたがらせることができない。このため、焼成時において、境界面の密着一体性が阻害されて剥離を起こしたり、強度不足を起こしたりすることがある。本発明は、このような課題を解決するものであり、金属粉末又は金属化合物粉末を針状体に成形したものをセラミックス原料混合物の中に点在的に混入するようにしたものであるから、上記した欠点を是正することができたのである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、複層構造のセラミックス体を製造する方法において、耐熱性型枠内に、特定組成のセラミックス原料混合物と、金属粉末又は金属化合物粉末にバインダーを加えて水で練って針状に成形した針状体とを攪拌した表材を充填するとともに、上記針状体を表材の表面にその上部が覗く状態で突き刺しておき、その上に異なる組成のセラミックス原料混合物と上記針状体とを攪拌した基材を重ねて充填し、この耐熱性型枠を針状体の融点未満で加熱することにより、上記針状体が表材と基材とにまたがって互いに突き刺さる状態で焼結させて表材及び基材を一体的に焼成したことを特徴とする複層セラミックス体の製造方法を提供する。
【０００６】
以上の手段をとる本発明の特徴は、セラミックス原料混合物に混入する金属粉末又は金属化合物粉末を単に粉末状でなく、これを成形して針状体にしたものを用いることである。これにより、この針状体は、焼成されたセラミックス体の中に所定容積を占める高強度の焼結体となって存在し、セラミックス体組織を強化する補強材となる。針状体の焼結体がセラミックス体組織を補強する理由は定かではないが、焼結体がセラミックス体組織を結合、架橋すること、セラミックス体組織の一部が高強度の焼結体で置換されること、に起因するのではないかと思われる。この点で、単に金属粉末又は金属化合物粉末を単体で混入したのでは上記した作用を発揮せず、補強効果は上がらない。
【０００７】
加えて、この針状体を異なる組成をして異なる焼成条件を有する二層のセラミックス原料混合物にそれぞれ混入することにより、適当な条件の下で焼成を行うと、どちらの層にも焼き割れが生じないことが判明した。その理由も定かではないが、この針状体をセラミックス原料混合物の中に等分布で点在させるようなことも可能であるから、焼成条件が最適でない場合であっても、針状体が焼結した焼結体の上記の作用がセラミックス原料混合物の耐破壊応力の向上及び組織間を拘束して歪みやずれの抑制を図って焼き割れを防ぐのではないかと思われる。組成の違う表材と基材との境界面では特に焼き割れや剥離が起こり易いが、さらに、針状体を両者にまたがって互いに突き刺す状態で存在させることで、その焼結体が両者を繋ぐことになり、焼き割れを防ぐ。
【０００８】
この点、従来であれば、組成が違う原料混合物を一度に焼成すると、焼き割れが生じていた。従って、焼成ができないか、或いはできるにしても、それぞれのセラミックス原料混合物に最適な条件の下での複数回の焼成を行う等の工数のかかる作業を必要としていた。このことは、異なる組成のセラミックス原料混合物、即ち、表材と基材を一枚のボード又はブロックとして一体的に成形できることを意味する。従って、表材と基材とでその組成を変える等、用途に応じてその特性、性状を種々変えることができるから、幅広い用途に用いることができる。
【０００９】
又、本発明は、以上の製造方法において、請求項２に記載の、表材及び基材の一方又は両方が発泡性のセラミックス体である手段を提供する。発泡性のものにすれば、材料費を抑制できる上に軽量にできる利点がある。このセラミックス体の好適な用途は、土木、建材品であることから、発泡させれば、軽量のみならず断熱性のあるものにすることができる。一方、非発泡性のものにすれば、稠密な組織のものにでき、耐熱性、耐水性、耐薬品に優れたものとなる。
【００１０】
この他、針状体は、請求項３に記載の、直径０．１〜３ｍｍ、長さ５〜３０ｍｍ程度のものが適当である。又、金属粉末又は金属化合物粉末としては、請求項４に記載の、金属又は金属化合物が、タングステン、ニッケル、クロム、モリブデン、硫酸鉄、硫酸銅よりなる群から選択された一又は複数のものが考えられる。それぞれにおいて硬度及びこれに基づく補強効果も異なるから、求められる条件に適合したものを選択すればよい。尚、複数のものを混ぜる合金にすると、硬度が高くなってより補強効果の高いものとなる。更に、請求項５に記載の、耐熱性型枠の内面に所定模様の凹凸が形成され、焼成された表材又は基材の表面に当該模様が転写される手段も可能であり、これによって装飾的な効果も図ることができ、土木、建材品へ適用した場合に付加価値を高めるものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係るセラミックス体の製造方法を示す説明図であるが、まず、焼成しようとするセラミックス体の大きさに応じた耐熱性型枠（以下、型枠）１を用意する。この型枠１は、焼成温度に耐えられる耐熱性であることが必要であり、その材質としては、ムライト・コウジライト等が適する。そして、型枠１の内面に原料混合物が付着するのを防ぐために厚み約０．５ｍｍ程度のセラミックペーパー２を敷き、その中に特定の組成を有して表材３となるセラミックス原料混合物（以下、原料混合物）を充填する。
【００１２】
尚、このとき、表材３の中には、金属粉末又は金属化合物粉末（以下、粉末）を成形した針状体４を混入しておく。この状態の表材（原料混合物）３は粉状又は粒状をしているが、針状体４は、これら表材３によく攪拌しておき、ほぼ等密度に分散するようにしておく。次に、表材３の上にこれとは異なる組成を有し、かつ、上記の針状体４を同様にして混入した基材５となる原料混合物を充填する。ところで、この操作を行うとき、表材３の表面に上記した針状体４を上部が覗く形態でかなりの高密度に突き刺しておき、基材５を重ねたときにこの針状体４が両材３、５にまたがって存在するようにしておくのが適する。以上の準備が終了すると、この型枠１をローラハースキルン等の炉に入れて火入れをする。
【００１３】
この場合の表材３、基材５となる原料混合物は、セラミックスとして焼成できるものであり、長石、珪石、粘土等を主体とするが、この他に抗火石、天然ガラス、粘土真珠岩、黒曜石、ステアタイト等が含まれることがある。又、これらに適宜炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、塩化マグネシウム、石膏、アルミナ、炭化硅素、リン酸カルシウム、ドロマイト、珪石、脂肪酸塩、界面活性剤等が添加されることもある。このうち、炭酸カルシウムや炭酸マグネシウム等は、焼成時における発泡剤として機能し、これらが添加されたセラミックス体は焼成時に発泡する。尚、これら原料混合物はそれぞれ特有の特性や性状を有しており、表材３及び基材５は求められる機能に応じてその混合割合が決定される。
【００１４】
針状体４を形成する金属又は金属化合物としては、上記したように、タングステン、ニッケル、クロム、モリブデン、硫酸鉄、硫酸銅よりなる群から選択された一又は複数のものである。これらの金属又は金属化合物を粒径が１５０〜３００メッシュ程度になるように粉砕機等で粉砕し、これを水で練って（少量のバインダーを用いることもある）成形機又は手作業によって太さ０．１〜３ｍｍ、長さ１〜５ｃｍ程度の針状体４にする。この針状体４は、加熱によって高硬度の焼結体となり、焼成した表材３や基材５の構成組織を強化する補強材となるのは上述したとおりであるが、上記した寸法の針状体にすることで、この作用がより強力に発揮されるとともに、取扱性も良くなる。
【００１５】
尚、各金属又は金属化合物は、硬度や価格も異なるから、求められるセラミックス体の強度やコストに応じてその品名を選択することになる。この場合、針状体４に用いられる粉末の材質、品名は、単体の場合もあるし、複数のもの、即ち、合金の場合もある。合金にすると、一般には、強度が高くなる特徴がある。又、原料混合物に添加される針状体４の添加量も重要であり、通常は、２〜５重量％程度で十分であるが、コストを考慮しないでよい場合は、５〜１０％程度混入すれば、補強材効果はより高いものとなる。更に、針状体４を表材３と基材５とにまたがらせて存在させておくと、これが二つの境界層を架橋することになり、境界面の密着一体性を強める作用がある。
【００１６】
更に、炉における焼成条件も重要である。特に、粉末の針状体４を混入し、これを焼結させるのであるから、焼成温度は、当該針状体４を構成する物質の融点よりも僅かに低い温度に設定する必要がある。従って、セラミックス体の焼成温度に応じて針状体４の品名等が決定されることにもなる。加えて、加熱時間も重要であり、図４にその条件を示すが、一般には、徐熱と徐冷を行って３時間かけて熱処理し、このうち、前半の１時間は最高（焼成）温度まで徐熱し、この焼成温度を１時間保持し、残りの１時間で徐冷するやり方が適する。
【００１７】
以上のような熱処理をすると、表材３及び基材５は各々焼成されてセラミックス体となるが、このとき、混入された粉末の針状体４は表材３及び基材５の中で焼結体となって上記した作用を発揮するから、セラミックス体組織の曲げ強度やヤング係数が高められ、セラミックス体組織の機械的強度を向上させる。このことが、表材３及び基材５の耐破壊応力の向上及び組織間の歪みやずれの抑制に貢献するから、特定の加熱条件で焼成しても、表材３及び基材５のどちらにも焼き割れを生じさせない。尚、以上におけるセラミックス体は、表材３と基材５との二層になっているものであるが、この他に中間層を挟んだ三層或いはそれ以上の層のものでも成形できるのはいうまでもない。
【００１８】
図２はこのようにして成形したセラミックス体Ｃにおける基材５（発泡している）部分の断面斜視図であるが、上記した針状体４は焼結して焼成された表材３や基材５の中に存在しているのは上述したとおりである。尚、このときの針状体４の分布は、処理前における混合を十分に行うことにより、ほぼ等分布となっている。但し、その向きはランダムな状態である。図３は成形したセラミックス体Ｃの断面図であるが、このように型枠１の表面に所定の模様の凹凸を形成しておけば、そのパターンはそのままセラミックス体Ｃに転写される。本例のものは、型枠１の底面に突条を桝状に突設したものであり、表材３の表面にこの突条に応じた溝６が形成されている例である。外壁材や内装材等に用いる場合に意義のあるものである。尚、この表面仕上げには、砂岩調、天然ノミ切り面及びバーナー仕上げタイル調といったものがある。又、顔料を添加して着色も可能でる。
【００１９】
以下、本発明の〔実施例〕を説明するが、基材及び表材となる原料混合物を表１に示す配合のもので組成した。
【００２０】
【表１】
0003934887.tif 000002
【００２１】
そして、粉末としては、クロム２４重量％、モリブデン７４重量％、硫酸鉄又は硫酸銅２重量％で配合したものを採用し、これを直径１．５ｍｍ、長さ２ｃｍの円筒状の針状体に成形した。この針状体を上記の基材及び表材に各々３重量％の割合で混入し、上記図４に示す条件で加熱処理した。この場合、１時間持続させる焼成温度は、上記した針状体の融点が１２８０°Ｃであることから、１２７０°Ｃに設定した。
【００２２】
表２は以上のようにして焼成されたセラミックス体の性質や特性を調べたものである。又、〔比較例〕として粉末の針状体を混入しないで、基材及び表材の原料混合物の組成や焼成条件は〔実施例〕と同じ条件のものを採用した。
【００２３】
【表２】
0003934887.tif 000003
【００２４】
これを見ると、〔比較例〕のものでは焼き割れが生じているが、〔実施例〕のものでは焼き割れが生じていない。又、〔実施例〕の曲げ強さは〔比較例〕のものに比して２．３倍高くなっているし、圧縮強さは１．３４倍高くなっている。このことから、本発明に係るセラミックス体の有用性が高いことが理解できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上、本発明は上記したものであるから、異なる組成のセラミックス層を一枚物のボードやブロックにして一体的に成形できる。従って、それぞれの層の用途に応じてその原料混合物の組成を変えて物性を調整すればよいから、幅広い用途のものに適用できる。この場合において、セラミックス体は、一度に焼成したとしても、焼き割れを起こさないから、上記したセラミックス体を得ることができるのであり、その製造コストも安くできるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例を示すセラミックス体の製造方法を示す説明図である。
【図２】本発明の一例を示す焼成されたセラミックス体の断面斜視図である。
【図３】本発明の一例を示す焼成されたセラミックス体の斜視図である。
【図４】本発明の一例を示すセラミックス体の製造方法における加熱温度と時間との関係のグラフである。
【符号の説明】
１    耐熱性型枠
３    表材
４    針状体
５    基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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