２) 一般磁器の耐熱性向上に関する研究
蒲地

伸

明

電子レンジによる磁器の加熱試験を行い温度上昇の様子を調査した結果､ 電子レンジ加熱により磁器は不均一に加熱されることが明らかになった｡ 合成コーディエライトを調合した磁器素地の低熱膨張化試験では合成コーディエライトの添加により熱膨張は低下するものの耐熱性に関してはほとんど変化しないことが明らかとなった｡ また一般的な磁器の耐熱性に関する評価､コーディエライト磁器の試作などを行った｡

１. はじめにできる｡

式から明らかなようにαを小さくする

最近､電子レンジやオーブンレンジ等の調理用ことにより⊿Tｍａｘ を大きくすることができる｡

家電製品は､ 広く普及し使用されている｡ また機

そこで耐熱セラミックスにおいては耐熱性向上の能向上も目覚しく短時間とはいえ､電子レンジ出手段として熱膨張を低くすることが広く行われて力1,000Wオーブン温度300℃といった高出力の製いる｡ しかしながら比較的､ 熱膨張の高い一般的品も発売されている｡ 以前から家電メーカーは加な磁器素地において熱膨張の変化が耐熱性にどの熱容器として陶磁器を推奨していることが多く一程度影響するかは明確でない｡

般家庭でも加熱容器として陶磁器が普通に用いら本研究では､ まず電子レンジを用いた磁器の加れている｡ 陶磁器は高温で焼成され製品となるた

熱試験および一般的な磁器の耐熱性に関する評価

め耐熱性が高いと思われがちであり､ 事実緩やかを行った｡ また合成コーディエライトによる磁器な加熱冷却に関しては他の材料に比べ優れた耐熱素地の低熱膨張化試験を行い耐熱性の評価を行っ性を示す｡ しかし一方で脆性材料であり急熱急冷た｡ さらにコーディエライト磁器の試作を行った｡の熱衝撃では破壊される場合がある｡ セラミック
スの耐熱温度差は一般に次式で与えられる｡ １) ２)

２. 実験方法⊿Tｍａｘ＝{S・(１−μ)／(E・α)}・f(β)

２. １



−Ｓ＝強度

電子レンジにより様々な磁器製品を加熱し加熱

μ＝ポアソン比直後の様子をサーモビュアで観察した｡ 加熱対象

Ｅ＝ヤング率として磁器および､ 擬冷凍食品 (冷凍物φ30×55α＝線熱膨張係数㎜

上式におけるf(β)は急熱急冷条件を示しビオ係数βの関数である｡



β＝γm・h／ｋ−ｈ＝表面熱伝達係数ｋ＝熱伝導度

急熱急冷の条件下では30ｇ

式のf(β)は１と置換含水率75%をプラスチックトレイに入れたもの) を用いた｡

２. ２

熱衝撃試験用試料作成

２. ２. １γm＝試料サイズ

38

電子レンジによる加熱試験

素地

素地として天草撰中陶土のローラーマシン成形
10.5㎝丸皿 (以後皿 (以後APAR)､ 圧力鋳込成形6.5㎝角)､ 粘土−長石−珪石系陶土の圧３.

力鋳込５㎝角陶板 (以後KP研究報告) をそれぞれ900

釉薬を調整した｡ それぞれの釉薬の1300℃還元焼℃で焼成したものを作成した｡ 1300℃還元焼成に成における平均線膨張係数 (700℃) を表１に合おける焼成体の平均線膨張係数 (700℃) はそれわせて示す｡

ぞれ7.4(×10−６/Ｋ)､ 7.5(×10−６/Ｋ)､6.5(×10−６/２. ２. ３Ｋ)であった｡
２. ２. ２焼成

2.2.1によって作成した素地に2.2.2の釉薬を施釉
釉薬したのち焼成を行った｡

釉薬は原料に益田長石､ インドソーダ長石､ 石

焼成は0.2ガス炉を用い1300℃12時間の設定

灰､ 珪石､ マレーシアカオリン､ 亜鉛華を用い､で行った｡ 900℃から雰囲気濃度−２％O２の還S50釉とS70釉の２つを調整した｡ ２つのゼーゲ

元雰囲気とし火止めはゼーゲルコーンSK10完倒ル式を次に示す｡

目視確認によって判断した｡

S50釉


0.15 Na Ｏ 0.65 CaＯ
0.10 ZnＯ

２. ３0.10 Ｋ２Ｏ２


0.55 Al２Ｏ３ 

合成コーディエライト添加素地の試作

一般的な磁器と同様な手順で簡便に低熱膨張素5.00 SiＯ２地を作成する方法として一般的な陶土の珪石を合成コーディエライトで置換した｡ 表２の調合割合で含水率28％になるように水と解膠剤を加えポッS70釉トミルにより泥漿を調整した｡ これらの泥漿を真0.28 Ｋ２Ｏ空脱気後､ 鋳込成形し成形体を作成した｡ 乾燥後
0.12 Na Ｏ 0.50 CaＯ
0.10 ZnＯ２


0.45 Al２Ｏ３ 

2.2.3の焼成により試料を得た｡
3.60 SiＯ２
２. ４

コーディエライト磁器の試作

1300℃焼成用コーディエライト磁器の試作を行っ上記ゼーゲル式になるように調合した原料粉末10た｡ 原料として､ニュージーランドカオリン､ 蛙㎏に水10㎏を加え20㎏ボールミルにより８時間､目粘土､ 焼タルク､ 合成コーディエライト､ ペタ粉砕混合を行った｡ 粉砕混合終了後200目の篩をライト､ 益田長石を用いた｡ 各原料を所定の調合通し､ さらに含水率を調整し濃度を39ボーメ度に割合となるように秤量し､ 解膠剤､ 水と共にポッ整え基礎釉とした｡ 完成したS50釉､ S70釉を表トミルで混合することにより含水率28%の泥漿を１の容量割合で混合することによりさらに３つの得た｡ 泥漿を真空脱気後､ 鋳込成形し成形体を作

表１表２各釉の混合割合と700℃平均線膨張係数

釉薬名

S50

S55S60

S65

S70

Ｓ50混合％

10075

50250Ｓ70混合％

0255075100

平均線膨張係数(×10−６/K)

5.20

5.51

6.03

6.47

7.05

合成コーディエライト添加素地の調合割合

試 料 名蛙 目 粘 土
NZ カ オ リ ン
珪石
合成コーディエライト
益 田 長 石T1103035025T2103030525T31030251025T41030201525T5103020202039成した｡ 乾燥後､ 電気炉で1275℃､ 1300℃､ 1320

中央を避けできるだけ縁に近いところに置いた｡℃の各温度まで４時間昇温15分保持のパターンでなお加熱終了直後､ 図１Ｂ､ 図１Ｃ､ 図１Ｄの擬焼成を行った｡

冷凍食品は沸騰状態であった｡
図１Ｄから明らかなように擬冷凍食品を４つ乗

２. ５

熱衝撃試験

せた加熱試験では試料の温度上昇は少なく温度勾2.2､ 2.3および2.4によって作成した試料をあら配もほとんどない｡ 擬冷凍食品が２つの場合､ 擬かじめ所定の温度に加熱した恒温器に１時間以上冷凍食品を置いた場所の温度が上昇しているのが保持したのち20℃の水中に投入し急冷した｡ 冷却判る (図１Ｃ)｡ これは沸騰状態にあった擬冷凍後､釉面および素地における欠点の有無を確認し食品からの熱伝導によるものと考えられる｡ 擬冷た｡ 2.2､ 2.3により作成した試料に対する試験は凍食品が１つの場合､ 擬冷凍食品を置いた場所と加熱温度と冷却水との温度差120℃から開始し欠皿中央付近の２箇所で温度上昇が観察される (図点がない場合は温度差を10℃づつ大きくし最終的１Ｂ)｡ また擬冷凍食品を乗せてない図１Ａにおに全ての試料が破壊するまで行った｡ 2.4によりいても皿中央部と高台の一部で温度上昇が観察さ作成した試料に関しては温度差250℃､ 300℃､ 350れる｡ 図１Ａ及び図１Ｂにおける洋皿中央部の温℃の試験を行った｡

度上昇の原因を探るため､電子レンジ中に試料を入れない空焚きの状態で500Ｗ-４分加熱試験を行っ

３

結果と考察

３. １た｡ 結果､ ガラステーブル中央部温度はサーモビュ

電子レンジによる加熱試験

３. １. １

ア計測で113℃に上昇した｡ よって洋皿中央部の使用形態と磁器の温度上昇

温度上昇は加熱したターンテーブル中央部からの図１に500W電子レンジによる４分加熱試験の輻射熱が原因と考えられる｡ ガラスプレート中央

サーモビュア映像を示す｡ 図１Aは磁器のみ､ 図部の厚みは他の部分の倍程度あり､ ガラスプレー

１B､ 図１C､ 図１Dはそれぞれ擬冷凍食品を１ト中の厚みの差が温度上昇の要因となったと考え個､２個､４個乗せた状態で加熱したものである｡

られる｡ 図１Ａで皿中央部に加え高台部分の加熱加熱に用いた試料はφ230mm-500ｇの洋皿で素地が観察されることも製品の厚みが温度上昇の要因

は粘土系３) のものである｡ 多くの冷凍食品メーカーであることを示している｡の推奨する加熱方法に従い擬冷凍食品は試料皿の

図１40

このように電子レンジ中に食品などの被加熱物被加熱物の個数変化による洋皿加熱状態の変化 (電子レンジ500W４分加熱)

３.

研

究報

告が少ない場合には本来加熱されにくいはずの磁器あり単純に２つの試料の重量比を体積比と考えるやガラスにも急激な温度上昇が生じることが確認ことができる｡ すなわち小鉢の体積は洋皿の約された｡

１／５となる｡ そのため単位体積あたりのマイク

３. １. ２形状の違いによる温度上昇の変化

図２に電子レンジに試料のみを置きそれぞれ加熱した場合の加熱時間と試料の最高温度の関係を

ロ波の吸収量は小鉢のほうが多くなり洋皿より加熱されたと考えられる｡ またいずれの試料､ 加熱時間においても最高温度は高台付近が示した｡

示す｡ 試料はφ230㎜-500ｇ洋皿とφ105㎜-100ｇ

図３に小鉢６分加熱時の様子を示す｡ 図から明小鉢の２種類を用いた｡ なおこの２種類の試料のらかなように高温部は高台の一部に集中しており陶土､ 釉薬は同じ物である｡ また3.1.1で明らかに周囲との温度差も顕著である｡ 高台はこの小鉢になったガラスプレートからの輻射熱による影響をおいてもっとも厚く､ あらためて肉厚部が温度上除くために､ 試料はガラスプレートをはずした状昇を起こし易いことが確認された｡ このような製態の金属製回転テーブル上に直接乗せた｡ グラフ

品内部からの加熱は加熱部分の膨張により､ 周囲から明らかなように小鉢のほうが昇温速度が早くに引張応力を発生させ破壊の原因となりうる｡ 今到達温度も高い｡ ２つの試料は同じ陶土､ 釉薬か回試験に用いた２試料は500Ｗ−10分による試験ら作られた磁器であることから密度はほぼ同じででも破壊することはなかったが､これは縁部分の厚みが十分あり強度があったためと考えられる｡
縁部分が薄くつくられた製品では割れた例もあり注意が必要である｡

３. ２

素地､ 釉薬の熱膨張と熱衝撃抵抗性の関係

表３に一般素地による熱衝撃試験の結果を示す｡
最も高い熱衝撃抵抗性はＡＲ (天草陶土−ローラーマシン成形) 素地が示している｡ しかしながら､釉の違いによる破壊温度の差はほとんどない｡ こ
図２

加熱時間による温度上昇曲線

れはいずれの釉も熱膨張が素地のより小さいために釉面に圧縮応力がかかり釉面の熱衝撃抵抗性が向上していたこと､ 破壊源が無釉の高台部分であったために釉の圧縮応力による熱衝撃の緩和機構が有効に働かなかったためと考えられる｡ 同じ天草陶土でも圧力鋳込成形品であるＡＰ素地はＡＲ素地に比べ熱衝撃による破壊温度は低い値を示した｡
これはＡＰ素地は組織が不均一になり易い圧力鋳込みの素地であることに加え､ ＡＲ素地よりも厚みがあったため熱衝撃試験時に素地内部と表面の図３

小鉢500W-６分加熱時の温度分布温度差が大きくなったことが原因と考えられる｡
41

また３種の釉薬の中ではＧ60釉が比較的高い耐熱れた｡ このことから推察すると､割れの発生し易温度を示しているがＧ50釉ではばらつきが大きくい鋳込口が施釉された試料であればＫＰ素地とＧ全体に素地と熱膨張の関係による耐熱性の変化は50釉の組み合わせはさらに良い耐熱性が期待できはっきりしない｡ なおＡＰ素地においても破壊はる｡

全て無釉部分から発生した｡
ＡＲ素地およびＡＲ素地においては釉薬による耐熱性の変化は確認できなかったがＫＰは釉薬の３. ３

コーディエライト添加素地の性質と熱衝撃特性

３. ３. １

試作素地の性質変化による耐熱性への影響が顕著に現れた｡ これ

図４に2.3により試作した低熱膨張素地の200℃

はＫＰ素地の平均線膨張係数が6.5×10−６/Ｋと天と700℃における平均線熱膨張係数および嵩密度

草素地に比べ低いために釉面にかかる応力が引張を示す｡ 原料に合成コーディエライトを含まないから圧縮まで変化したこと､ 形状に角､ すなわち試料Ｔ１のみ低い嵩密度を示しているが､ Ｔ１は釉薬が薄くなった部分あり施釉部分からの破壊が2.2.3の焼成条件では磁器化していないことが原因発生し易かったことなどが原因と考えられる｡ 釉である｡ なお今回の焼成条件におけるＴ１の吸水面に引張応力がかかるＧ70釉が最も低い熱衝撃特率は3.8％であった｡ 残りの試料Ｔ２〜Ｔ５に関性を示し､ 素地に熱膨張が最も近かったＧ65釉もしてはいずれも吸水率が0.15％以下であり磁器化

温度差180℃で全て破壊した｡ 残りの試料も温度していることが確認された｡

差200℃で全て破壊しているが破壊形態には２種

図から明らかなように珪石と合成コーディエラ類あった｡ Ｇ60釉の全試料３点およびＧ55釉の２イトの置換量が増えるに従い平均線熱膨張係数は点は釉面の割れおよび裏面無釉部分の鋳込口から小さくなっている｡ 単純に珪石と合成コーディエの素地破壊の２種類が発生しており､ Ｇ55釉の残ライトの置換のみを行っている試料Ｔ２〜Ｔ４でり１点とＧ50釉の全試料では釉面の割れは確認さ

比較した場合､ 700℃における平均線熱膨張係数

れず鋳込口を中心とした素地の破壊のみが観察さは7.0(×10−６ /Ｋ)から5.5(×10−６ /Ｋ)まで約20％

素地､ 釉薬の熱膨張と熱衝撃耐性の関係

Ｇ55

Ｇ60

Ｇ65

Ｇ70

１210

200

200

200200

２210

200

200

220200３220200

220220200

１160190160

２180190160

３190190170

１200200200180150

２200200200180170

３200200200

180170

ＡＲＡＰＫＰ42)Ｇ50嵩密度 (ｇ/試 料 名

平均線膨張係数 (×10−６/K)

表３

図４

試作素地の平均線膨張係数と嵩密度

３.

研

究報

告低下した｡ 焼成体におけるＸ線回折パターンを比ら推測すると､ これら試作素地のＳＫ10還元焼成

較した結果､ 珪石-合成コーディエライト５％置における焼腰は普通磁器素地より強いようである｡

換のＴ２ではコーディエライト相の確認はできな

３. ３. ２

試作素地の熱衝撃特性かったが､ Ｔ３〜Ｔ５では置換量が増えるに従い

表４にＴ１〜Ｔ５の熱衝撃試験結果を示す｡ 耐焼成後のコーディエライト相が増加することが確

熱衝撃性がもっとも低いのは⊿T＝160℃で破壊認された｡ Ｔ３〜Ｔ５における焼成体の結晶相はしたＴ３の２点であるがこれは素地中に気孔が存ムライト､ α−石英､ コーディエライトでありク在した影響であった｡ この２点を除くと磁器化しリストバライト等の生成は確認できなかった｡

た試料のうちＴ２のみが⊿T＝170℃で全試料割

図５に焼曲試験の結果を示す｡ 合成コーディエ

れと他の試料よりも低い耐熱衝撃性となった｡ しライトの添加により焼腰の低下が懸念されたが珪かしながらＴ３からＴ５への熱膨張の変化におい石と合成コーディエライトの置換のみを行っていては200℃における平均線熱膨張係数が約20％低

るＴ２､ Ｔ３､ Ｔ４の比較でもほとんど変化はな

下しているにもかかわらず耐熱衝撃性の向上は確かった｡ 厳密には焼成温度別の吸水､ 嵩密度､ 焼認できなかった｡ また吸水のあったＴ１は熱膨張下がり量を試験する必要があるが､ 今回の結果かが大きいものの⊿T＝200℃の試験においても破表５

試料名

Ｃ１

Ｃ９Ｃ13Ｃ16畦 目 粘 土

10151515

ＮＺカオリン

30252528

焼 タ ル ク20202020

ア ル ミ ナ10533

合成コーディエライト

10202020

ペタライト

2015170

益 田 長 石00014350℃

1.56

1.38

1.40

1.61(×10−６ /Ｋ) 700℃

2.09

1.89

1.69

2.17

Cordierite

○

○

○

○

PDF-№27-716××○

×Mullite

○

○

○

○

Corundum

○

○

○

○

250℃

○

○

○

○

300℃

○

○

○

○

350℃××

○

×

調
合割合％
図５表４

焼曲試験結果合成コーディエライト添加素地の耐熱衝撃性

平均線膨張係数

破壊温度 (℃)№
１

コーディエライト磁器の特性と熱衝撃特性

Ｔ１200↑

Ｔ２170

Ｔ３180

Ｔ４180

Ｔ５180

結晶

２200↑

170

180180180

３200↑

170

180180180

４200↑

170160180180５200↑

170160180190

相熱衝撃試験

43式式から判るように耐熱温度付近での素地の熱膨張の変化は耐熱性にほとんど差を決める要素は様々であって､ 素地の熱膨張が影響がない結果となった｡ むしろ素地の熱膨張が低下しても必ずしも耐熱性の向上につながらない低くなることにより釉面に引張応力が発生し製品ことが判る｡

形状によっては耐熱性が低下する｡

壊しなかった｡

今後はテストピースではなく実際の製品形状で３. ４ コーディエライト磁器の特性と熱衝撃特性
表５にいくつかの試作陶土の配合割合と1320℃の試験をおこない耐熱性の評価を進めていく予定である｡

焼成体の350℃､ 700℃における平均線熱膨張係数､

なお､ 電子レンジメーカーは被加熱物を入れな主な結晶相､ 熱衝撃試験結果を示す｡ いずれの試い状態での使用を禁止しており､ マニュアル等に料も吸水率はほとんどなく磁器化している｡

明記している｡ 磁器でも電子レンジ使用可を表記

ペタライトを融剤として用いた試料は低い熱膨するのであれば､ 電子レンジ使用可の表記とあわ張係数を示し､ 特にＣ13はJIS2400における直火せて磁器が異常に加熱する空焚き状態での使用を用(高耐熱)規定である⊿T＝350℃の熱衝撃試験禁止する表記が必要になると思われる｡

もクリアした｡ ただし融剤としてペタライトを用いた試料は原料調整方法や焼成条件の変化により参考文献トリマイトが生成し易く管理が困難であった｡ ト１) 中山淳, セラミックス, 8, 343-49 (1973)

リジマイトは使用温度帯である150℃〜200℃にお２) 片桐成人, 服部泰久, 大田敏孝, 山井巌, セ

いて異常膨張を示し､ 素地の耐熱衝撃性を著しくラミックス論文誌, 102, 69-72 (1994)低下させる｡ 一方融剤として益田長石を用いたＣ
16においては熱膨張が若干大きくなったものの試験ロットの変化でもトリジマイトの発生はなかった｡
なお､ すべての試作陶土の焼曲は焼成温度で大きく変化するため､ 現状では窯の温度厳密な管理が必要である｡

４. まとめ磁器の電子レンジによる加熱試験を行った結果磁器が短時間で不均一に加熱されることが明らかとなった｡ この温度上昇は被加熱物の量や形状によって変化した｡ また本文中には記載していないがジルコンを含む釉薬を用いた磁器は加熱されやすい傾向が現れており今後､ 釉薬や素地のマイクロ波特性を調査する必要がある｡
今回の試験では熱膨張が5.0〜7.0 (×10−６/Ｋ)44３) 蒲地伸明, 佐賀県窯業技術センター
年度業務報告書, 25-32(2000)

平成11