経常研究

佐賀県窯業技術センター 平成28年度 研究報告書・支援事業報告書

世界最高精度・世界最高強度磁器の開発
世界最高強度磁器の開発 -強化磁器曲げ強さ測定に与える施釉状態の影響蒲地 伸明、藤 靖之、志波 雄三、桑田 和文、山崎 加奈、西山 勝章
佐賀県窯業技術センター
本研究では、従来に比べ強度の高い強化磁器素材及び焼成時に変形の少ない磁器素材の開発に取り組んでいる。強化磁器の開発において、その評価方法は重要であるが、過去の研究において従来の底面施釉の試験片で行う曲げ強さ試験と、製品で行う衝撃試験の試験結果に整合性が取れない場合があった。そこで、強化磁器素材の開発に必要不可欠な評価手段である両試験の整合性について、改めて検証を行った。その結果、釉中の圧縮応力の効果が曲げ強さに与える影響が試験片の施釉状態によって異なることが確認され、底面に加え側面まで施釉した 3 面施釉試料を用いた曲げ強さ試験結果が衝撃試験との整合性が高いものとなった。

Development of new strengthened porcelain.
Influence of glaze state on flexural strength of strengthened porcelain
Nobuaki KAMOCHI, Yasuyuki、FUJI, Yuzo, SHIWA, Kazufumi KUWATA,Kana YAMASAKI and Katsuaki NISHIYAMA
Saga Ceramics Research Laboratory
Two types flexural test specimens were tested and the results were compared with impact strength oftableware. Most of the bottom surface glazed specimens were fractured from side surface when they had
sufficient compressive stress in glaze layer. The fracture from side surface reduced the residualcompressive stress effects. The three surfaces glazed specimens fractured from bottom surface andshowed the same tendency with the result of impact test.
は曲げ強さを低下させることも同時に報告されている 4）。

1. はじめに強化磁器の素材強さを評価する方法として日本セラミッ

我々はこれまで様々な釉を施した強化磁器について曲クス協会規格 JCRS 203「食器用強化磁器の曲げ強さ試

げ強さ試験や衝撃試験を行ってきた。破壊機構が同じで験方法」が 1996 年に規定され広く利用されている 1）。一方ある曲げ強さ試験と衝撃試験は同様の傾向を示すはずでで強化磁器食器の製品強さを評価する方法として JIS

あるが 2 種の試験において、釉の熱膨張が結果に及ぼすS2402「強化磁器食器の縁部衝撃試験方法」が 2010 年に影響について整合性が取れないことがあった。具体的に2）規定され JCRS 203 と同様に広く利用されている 。我々は曲げ強さが低下するような低い熱膨張をもつ釉においは以前JIS S2402 による強化磁器食器の破損を解析し、衝ても、衝撃強さが低下せずむしろ増加する現象が観察さ撃試験における強化磁器の破損は打撃時の食器の変形れた。そこで、強化磁器を新たに開発するに先立ちこのにより打撃点裏面付近に生じる引っ張り応力を原因とする原因を明らかにすることとした。

もので破壊機構は曲げ強さ試験と同じであることを明らか

衝撃試験に用いる強化磁器製品の破壊起点付近はすにした 3）。

べて釉に覆われているのに対し曲げ強さ試験片では側一方で、磁器の強さは釉と素地の熱膨張差によって大面は無釉状態である。本研究では曲げ強さ試験片の側面きく変化することが知られている。釉の熱膨張を素地よりも施釉状態とした試料を作成し側面の釉の有無による曲小さくすることで釉層に圧縮応力が生じ、破壊の原因となげ強さの違いを検証するとともに、衝撃試験結果と比較しる引っ張り応力を相殺することが可能となり製品強さがた。

20％程度まで増加する。しかし、釉層の過剰な圧縮応力1佐賀県窯業技術センター 平成28年度 研究報告書・支援事業報告書

2. 実験方法値は、G6 釉,G5 釉,G4 釉および素地でそれぞれ 6.0,2.1 試料作製5.1, 4.3 および 5.9 ×10-6/K であった。

市販の強化磁器陶土を用いローラーマシンにて衝撃3 種の釉のゼーゲル式は次の通りである。

試験用のボウル（焼成後寸法φ132×h57mm）を成形した。

G６釉

𝑅2 O 0.30} 𝐴𝑙2 𝑂3 0.40}𝑆𝑖𝑂2 3.20𝑅𝑂 0.70

同じ陶土から鋳込み成形により曲げ強さ試験片（焼成後寸法8×4×50mm）を成形した。それぞれ 900℃で素焼後、G５釉

熱膨張の異なる 3 種類の釉薬を施釉した。曲げ強さ試験

𝑅2 O 0.30} 𝐴𝑙2 𝑂3 0.50}𝑆𝑖𝑂2 4.30
𝑅𝑂 0.70

片に関しては曲げ強さ試験時に底面となる面のみを施釉した JCRS 203 標準試験片と、底面と両側面の3 面を施釉G４釉した試験片の 2 種類となるように釉仕上げを行った。釉 3𝑅2 O 0.35
𝑅𝑂 0.50 } 𝐴𝑙2 𝑂3 0.59}𝑆𝑖𝑂2 5.45
𝑍𝑛𝑂 0.15種、施釉状態2 種の計6 種の施釉試験片に無釉試験片を加えた 7 種の曲げ強さ試験片と、釉3 種と無釉試料の計4種類のボウルをガス窯にて 1300℃還元焼成を行い測定用の試料を得た。

図 1 より、G6 釉を施した試料では釉と素地の熱膨張差

2.2 評価がほとんど無いため釉中応力がほとんど存在せず、G5 釉、焼成後、ボウルに関しては衝撃試験を JIS S2402 によりG4 釉と釉の説膨張が低下するにしたがい釉中の圧縮応行い（リサーチアシスト有限会社製：衝撃試験機 RA115力が増加すると推察された。

型）、曲げ強さ試験は JCRS 203 によって実施した（島津製作所製：AUTOGRAPH AG—10kNX）。強さ試験後の試3.2 衝撃試験結果料に対して、金属顕微鏡（オリンパス株式会社製：BX-51）

図 2 に釉の線熱膨張係数と強化磁器ボウルの衝撃強さを用いて破面解析をおこなった。釉及び素地の熱膨張はの関係を、合わせて無釉試料の衝撃強さを示す。なお試熱分析装置（MAC Science Co Ltd.製 TMA4000）にて料数はそれぞれの 20 個であり、エラーバーは 95%信頼区測定した。

間を示している。
無釉試料の衝撃強さ平均は 0.23J であった。釉と素地

3. 結果と考察の熱膨張差はほとんどないにもかかわらず G6 釉試料で3.1 釉及び素地熱膨張

衝撃強さは 0.28J と約 20％増加した。釉に圧縮応力が発3 種の釉と陶土の熱膨張曲線を図 1 に示す。今後 3 種

生する G5 釉試料では衝撃強さは大きく増加し 0.34J となの釉を想定した線膨張張係数からそれぞれ G6 釉,G5釉,G4 釉と表記する。なお線膨張係数（30-650℃）の実測

0.40

G6G5G4body

0.60.50.4Impact strength / J

Thermal expansion /%0.70.30.20.350.30
0.25

unglazed

0.10.00200400600
Temperature /°C0.208004

図 1 釉及び素地の熱膨張曲線．

56
Thermal expansion coefficient of glaze / 10 -6/K
図 2 釉の熱膨張と衝撃強さの関係．

2

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1.0

G4 釉試料では 0.35J と最大の平均衝撃強さを示した。し0.9

Existence rate of fracture origin on
bottom surface

った。もっとも熱膨張の低い釉と素地の組み合わせである

かし、信頼区間から判るように G5釉試料とG4釉試料の衝撃強さに有意差は認められない。G5 釉と G4 釉の熱膨張差による釉中圧縮応力増加の効果は確認できないが、少なくとも G4 釉試料で衝撃強さの低下は認められない結果となっている。

3.3 曲げ強さ試験結果
図 3 に片面施釉と 3 面施釉の試験片 30 本で実施した

0.80.70.60.50.40.30.20.10.0

glazed bottom surface
glazed bottom and sides surfaces

4.00
5.00
6.00
Thermal expansion coefficient of glaze / 10 -6/K

強化磁器の曲げ強さ平均と釉の線膨張係数の関係を示

図 4 釉の熱膨張と破壊起点が底面にある確率．
（●：底面側面施釉試料、×底面施釉試料）す。なお、無釉試料の曲げ強さ平均は169MPa であった。
側面も施釉した試料において曲げ強さは衝撃試験と同様の傾向が確認され、釉の熱膨張が小さくなるに従い曲げ施釉状態によって曲げ強さと釉の熱膨張の関係に異な強さが増加した。一方、JCRS 203 で規定されるように底る傾向がみられたことから、その原因を明らかにするため、面のみを施釉した試料では G5 釉試料で曲げ強さは最大全試料に対して破面解析を行い破壊起点の確認をおこを示し、最も釉中に圧縮応力がかかる G4 釉試料では G5なった。図 4 に釉の熱膨張と曲げ試験における破壊起点施釉体よりも曲げ強さが低い結果となった。なお、衝撃試が底面に存在した割合を示す。曲げ試験における正常な験と同様に、素地と熱膨張がほどんど変わらない G6 釉試

破壊は荷重時に最大の引っ張り応力が発生する底面を料においても曲げ強さは大きく向上していたことから、稲起点とするものであるが、底面のみを施釉した試料にお田の方法によって釉中応力を確認した 5）。結果、G6 釉にいては釉の熱膨張が低下するに従い、施釉底面からの破おいても釉中には若干ではあるが圧縮応力が発生してい損の割合が直線的に低下し、無釉の側面及び角からのることが確認された。素地表面に薄く施釉された状態の釉破壊が増加した。底面のみを施釉した G4 釉試料では底の熱膨張は、釉塊から切り出して測定した熱膨張とは必面から破損した試料はわずか 23％でありほとんどの場合、ずしも一致しないことが確認された。

試料側面付近から破壊が発生していた。釉と素地の熱膨張差により釉層に圧縮応力を発生させた場合、その反力

220

Flexural strength / MPaとして素地側には引張応力が発生する。側面が無釉状態
210の試料においては素地の引っ張り応力が側面で開放状200態にあり、側面が破壊起点となりやすくなる。釉の熱膨張が小さくなった場合、素地中に発生する引っ張り応力も大190きくなることから、より小さな荷重で側面からの破損が生じる可能性が高くなる。これが、素地に比べ熱膨張が極端

180
170160
4.00

glazed bottom surfaceに低い釉を用いた場合に曲げ強さが低下する原因と考え

glazed bottom and sides surfaces

られる。
一方、側面まで施釉した試料では G5 釉において底面5.006.00

かの破損割合が 40％から 93％へ、G4 釉において 23％

Thermal expansion coefficient of glaze / 10 -6/Kから 90％と変化しており、正常な破損の割合が大きく増加
図 3 釉の熱膨張と曲げ強さの関係．
（●：底面側面施釉試料、×底面施釉試料、▲無釉試料）した。結果、釉中の圧縮応力の効果が曲げ試験の結果に3

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素直に反映され、G4 釉が最大の曲げ強さを示す結果となったと考えられる。ボウルに対して行う衝撃試験において、破壊起点付近は全面に施釉されており、3 面施釉の曲げ強さ試験片と似た状態にある。従って製品に対して実施する衝撃試験と曲げ強さの整合性は底面だけでなく側面まで施釉した試料で実施したほうが高いと考えられる。
一方で、G6 釉試料では 3 面施釉の試料のほうが正常な底面からの破壊が少ない結果となった。もし、釉層に引っ張り応力が発生しているのであれば、側面に釉が存在するほうが、引っ張り応力が角部に集中しやすくなり、このような現象が発生するものと考えられる。しかしながら、今回は、G6 釉においても若干の圧縮応力が確認されており、今回の原因に関しては更なる試験、検討が必要である。

4. まとめ
施釉状態の違いが曲げ強さ試験結果に与える影響について確認した。結果、通常の底面施釉試料と比較して、側面も施釉した 3 面施釉試料が、衝撃試験と整合性の高い結果となった。今後は、衝撃試験に用いたボウルから切り出した試験片を用いた曲げ強さ試験を行い衝撃試験結果との比較を行う予定である。

参考文献
1) JCRS 203: 1996.
2) JIS S 2402: 2010.
3) N. KAMOCHI, H. KATSUKI and T. WATARI, J. Ceram.
Soc. Japan, 117, 724-28 (2009).
4) 山本 登, セラミックス, 16, 282-284 (1981).
5) 稲田博, 窯業協会, vol.85, 485-496 (1977).

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