JP2000241082A - セラミックス焼成用道具材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 迅速な降温時に亀裂の発生を抑制し、かつ被
焼成物の焼きむらや汚れ等を生じることなく歩留りを高
め、生産性、生産量の増大を図ることのできる焼成用道
具材を提供することを課題とする。 【解決手段】 所要の形状を有する焼成用道具材本体２
の側面に該本体２の熱伝導率より低い熱伝導率を有する
断熱性材料３を配設したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、陶磁器、タイル、
またはフェライト、セラミックコンデンサ等の電子機器
用材料などのセラミックスを焼成する際に使用する薄
板、こう鉢、さや、棚板、セッター、台板、焼台等の焼
成用道具として使用するためのセラミックス焼成用道具
材に関する。

【０００２】

【従来の技術】陶磁器や電子部品用セラミックスを焼成
するに際し、耐火性のこう鉢、棚板等の焼成用道具が用
いられる。

【０００３】この種の焼成用道具の道具材としては、被
焼成物である製品をはじめ、焼成条件、使用条件によっ
て種々の材料が用いられるが、一般的には炭化珪素質
系、窒化珪素質系、アルミナ質系、ムライト質系、スピ
ネル質系、ジルコニア質系の材料が用いられている。

【０００４】これらの材料は、耐熱スポーリング性を高
めること、および製品との反応性を小さくすることを考
慮して選定される。ところで製品との反応性を小さく抑
える焼成用道具材の材質については製品の化学組成が決
まれば容易に選定可能であるが、耐熱スポーリング性を
高めることに関しては、焼成条件や使用条件に大きく依
存するため、焼成用道具材の材質の選定のみからでは容
易に得ることができない。

【０００５】上記のことから従来種々の対策が講じられ
ている。すなわち耐火物製の棚板または役物タイルの焼
台にスリットを設けたもの（特開平５−３４０６７８
号、実開平６−１０７９８号の各公報）、所要面に窪み
または透孔を設けたもの（特開平９−８９４６９号、実
開平６−１０７９８号の各公報）、焼成用道具材内に空
孔を設けたもの（特開昭６２−６５９８８号、特公昭５
８−３８７１７号、特公平８−２０１８６号の各公
報）、所要面にジルコニアを被覆させたもの（特公平８
−１３７１０号、特開平９−２８６６７８号の各公
報）、焼成用道具材の厚さ等の寸法を規定したもの（特
公平７−７６６７６号、特開平６−１１２７２号の各公
報）などがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに上記いずれの
公報に記載の技術が焼成用道具材の耐熱スポーリング性
を高めることを意図されてはいても、何れも十分な効果
を発揮するには至っていない。

【０００７】すなわち、焼成用道具材にスリットを設け
た構成によるものでは、 スリット部の上部に載置された被焼成物に焼きむらが
生じる。

【０００８】スリット部を避けて被焼成物を載置する
ようにすると被焼成物の載置数が減少し、生産効率およ
び焼成能力が低下する。

【０００９】スリットの存在により焼成用道具材の強
度が低下し、被焼成物を載置したとき割れを起こすこと
がある。

【００１０】昇温時にはスリットによる効果は得やす
いが、冷却時には効果がない。

【００１１】という問題点がある。

【００１２】次に焼成用道具材の所要面に窪みまたは透
孔を設けた構成によるものでは、 被焼成物は所定の高温度に達するまでは原料の焼結が
起こらないため非常に強度が低い状態におかれ、このよ
うな低強度のとき被焼成物が窪みや透孔の上に置かれる
と被焼成物に凹凸が生じ、場合によっては破損が生じ
る。

【００１３】透孔部には前記スリットによる場合の
と同様、焼きむらを生じる。

【００１４】昇温時には効果があるが、冷却時には効
果がない。

【００１５】という問題点がある。

【００１６】次に焼成用道具材内に空孔を有する構成と
したものでは、 空孔自体が亀裂の発生源になりやすい。一般的には適
度な大きさを有する球形の空孔は亀裂抑制効果があると
考えられるが、空孔形成材が球形であったとしても、用
いられる配合原料は多種多様な形態をした不規則形であ
るため、空孔形成材が除去された後の空孔に接する周囲
にはかえって鋭利な微亀裂が多数存在することになる。
このような微小亀裂には応力が集中しやすく、その結果
大きな亀裂の発生源になりやすいことになる。

【００１７】次に焼成用道具材の所要面にジルコニアを
被覆させた構成によるものでは、 母材である焼成用道具材とは異なった材料を被覆材に
用いた場合には、被覆材としての保形性が低下し、繰返
し使用中に被覆材の原料粒が脱落し、遂には被覆材とし
ての機能を果さなくなる。

【００１８】という問題点がある。

【００１９】最後に焼成用道具材の寸法や厚さを規定し
たものでは、 厚さ方向に凹凸のある形状としたもの（特公平７−７
６６７６号公報）の製造に際して予め凹凸を有する成形
体を作成する場合には、成形時に締りむらが生じやす
く、これに起因して使用時に亀裂を発生させ、また凹凸
のない均一な成形体を製作したのち加工によって凹凸を
形成する場合には、加工コストが嵩み、焼成用道具材を
安価に提供し得なくなる。

【００２０】昇温時には効果があっても、冷却時には
効果がない。

【００２１】等の問題点がある。

【００２２】このように従来のいずれの技術によっても
十分な効果が得られず、特に迅速昇温、迅速降温による
生産性の向上、一度に大量の被焼成物を載置し得る大型
焼成用道具材の使用による生産量の向上、繰返し使用に
耐え得る耐久性保持による低コスト操業に対しては更な
る耐熱スポーリング性が必要となる。この点において従
来の耐熱スポーリング性を高めるための対策は主として
昇温時における熱衝撃の防止策に重点がおかれており、
冷却時には殆んど効果を奏しないものばかりであって、
それ故に徐冷が必要となり、その結果生産性が低いもの
となっていた。

【００２３】そこで本発明は、昇温時のみならず迅速降
温時についても対応し、生産性の向上を図り、また製品
となる被焼成物の焼きむらや汚れ、変形等を生じず、歩
留りの向上を図り、さらに強度を保持した大型の焼成用
道具材とし得て生産量の向上を図ることを課題とするも
のである。

【００２４】上記課題を解決するに当たり、まず現在使
用されている焼成用道具材の亀裂の発生原因を有限要素
法を用いた熱応力計算によって検討した。

【００２５】その結果、焼成用道具材の内部に生じる大
きな温度勾配と複雑な温度分布が大きな熱応力の発生原
因であることが判明した。すなわち昇降温時の加熱また
は冷却は焼成用道具材の外表面からなされるので、焼成
用道具材の角部の昇降温速度は最も速く、中央部は最も
遅くなる。このときに焼成用道具材には大きな温度差と
複雑な温度分布が生じることになる。特に迅速な昇降温
を行なったときは尚更大きな温度差が生じ、複雑な温度
分布になりやすく、これにより大きな熱応力が発生しや
すいものとなる。

【００２６】一例として迅速昇降温時に発生する熱応力
値の結果を図３に示している。同図において矢印は応力
の方向を示し、亀裂はこの応力の方向に対し直角方向に
発生する。

【００２７】同図に示すように、焼成用道具材ａの平板
面の各辺の中央部に大きな応力（２．０７ＭＰａ）が発
生し、焼成用道具材ａの引張強度は１．６〜１．９ＭＰ
ａであるので上記熱応力値は焼成用道具材ａの引張強度
を遥かに越えていることが分った。

【００２８】そこで従来技術の一つであるスリットｂ，
ｂ…を焼成用道具材ａの各辺中央に施したものについて
検討した結果を図４に示している。この検討によれば、
スリットｂ，ｂ…の開口端ｃには大きな応力は発生して
いないが、各辺にそってスリットｂ，ｂ…の開口端ｃと
焼成用道具材ａの各角部ｄ，ｄ…との間の中央部に大き
な応力が発生するようになった。その値はスリットを設
けない場合の５％減程度であり、やはり焼成用道具材ａ
の引張強度を越えていることが分った。すなわちスリッ
トｂ，ｂ…が十分な効果を与えていないことの証明であ
る。したがってこのスリットｂ，ｂ…は昇温時には効果
があるとしても、上記のように降温時には効果を奏しな
いものである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記従来の技術が有する
諸問題を解消し、前述の課題を解決する手段として本発
明は、所要の形状を有する焼成用道具材本体の側面に該
本体の熱伝導率より低い熱伝導率を有する断熱性材料を
配設したことにある。

【００３０】上記断熱性材料はその熱伝導率が焼成用道
具材本体の熱伝導率の８０％以下であることが好まし
い。また前記断熱性材料の配設幅は０．１ｍｍ以上とす
るのがよい。

【００３１】上記の構成としたことにより、焼成用道具
材の内部に生じる温度差は小さくなり、また温度分布は
平板面から厚み方向に単調な変化を示すことが判明し
た。そのため発生する応力は非常に小さくなり、亀裂発
生を十分に抑制し得ることが分った。ちなみに迅速降温
時に発生する熱応力は図３に示したものの６０％減を示
し、焼成用道具材の引張強度の半分以下であった。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態を参照して説明する。

【００３３】図１は本発明による焼成用道具材１の一実
施形態を示し、角板状をなす焼成用道具材本体２の四周
側面に該本体２の構成材料より低い熱伝導率を有する断
熱性材料３が配設されている。なお焼成用道具材本体２
の材質は従来の焼成用道具材と同じでよい。

【００３４】上記断熱性材料３の熱伝導率は焼成用道具
材本体２の熱伝導率の８０％以下であることが好まし
い。８０％を超えると焼成用道具材本体２の側面からの
熱の流入が無視できなくなり、焼成用道具材中の温度勾
配を大きくし、かつ複雑な温度分布を生じ、その結果焼
成用道具材本体２の引張強度を越える熱応力が発生する
ことになって十分な効果が得られなくなる可能性があ
る。

【００３５】一般に断熱性材料は、その骨材原料が同じ
であれば気孔率を高くすることにより熱伝導率の低下を
実現させているので強度が小さくなっている。したがっ
て搬送時に必要な強度を確保することができる材料特性
を考慮すると、好ましくは焼成用道具材本体２の熱伝導
率を１００％としたとき断熱性材料３の熱伝導率は０．
２％以上、さらに好ましくは０．１％以上であることが
望ましい。

【００３６】一方、断熱性材料３の配設幅Ｌは０．１ｍ
ｍ以上であることが効果的である。０．１ｍｍ未満であ
ると側面からの熱の流入が無視できず、焼成用道具材中
の温度勾配が大きくなり、かつ複雑な温度分布を生じ、
その結果焼成用道具材本体２の引張強度を越える熱応力
が発生することになって十分な効果が得られないことに
なる。

【００３７】なお断熱性材料３の配設幅Ｌは０．１ｍｍ
以上であれば上限は問われないが、前述のように断熱性
材料３の強度は低いので剥離しやすくまた搬送しにくい
点、あるいは使用する焼成炉の容積に対し確保し得る断
熱性材料３の幅に制限が生じる等のことから、好ましく
は前記配設幅Ｌを２０ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍ
ｍ以下とすることが望ましく、しかも耐用性に優れたも
のとすることができる。

【００３８】前記断熱性材料３の材質としては、前記の
熱伝導特性および配設幅Ｌを満足するものであれば焼成
用道具材本体２を構成する材料と同じであってもよく、
あるいは他の材質のものであってもよい。さらには両者
の組み合わせによるものであっもよい。なお焼成用道具
材本体２と同じ材料による場合は、熱伝導特性を変える
ために材料のミクロ構造を制御すればよく、例えば焼成
用道具材本体２の構成よりも高い気孔率にすることによ
って実現を図ることができる。

【００３９】このほか断熱性材料３の構成材料として
は、例えばアルミナ質、ジルコニア質、マグネシア質、
スピネル質等のセラミックファイバーブランケット、ロ
ックウール、けい藻土、木節粘土、蛙目粘土、カオリ
ン、ろう石、カイヤナイト、ボーキサイト等により形成
された耐火断熱煉瓦（商品名イソライト）等を用いるこ
とができる。

【００４０】前記断熱性材料３の配設手段としては、焼
成用道具材本体２を成形する際にその周囲に予め所定の
幅で断熱性材料３を配置しておいて一体に成形する手
段、または成形された焼成用道具材本体２にモルタル、
有機バインダ、無機バインダ、ピッチ、タール等の接着
材を介して配設する手段、あるいは接着材を用いずに機
械的に圧着させる手段、さらには所定の幅および形状に
予め形成した断熱性材料のみを予め加熱膨張させ、その
中に室温とされている焼成用道具材本体２を嵌合密着さ
せ、次いで断熱性材料を室温まで冷却させることにより
圧嵌めする手段などがある。

【００４１】このほかスラリーの流し込み、吹付け等に
より焼成用道具材本体２の側面にコーティングしたのち
揮発成分の除去または焼付けのため加熱することによる
手段、溶射により断熱性材料３を焼成用道具材本体２の
側面に固着する手段等がある。さらに焼成用道具材本体
２と断熱性材料３との境界面で相互の材料を入り交らせ
て結合させる、所謂ぼかし構造とする手段を用いること
ができる。

【００４２】上記各手段のうち、接着材を介在して配設
した場合は、接着後接着材から発生する揮発成分を予め
加熱除去することにより使用に供することができる。

【００４３】前記焼成用道具材１の形状については、図
１に示した角板状のほか、楕円板、円板、多角形板、こ
う鉢型、台板等任意の形態のものであってもよく、いず
れの形態である場合もその焼成用道具材本体２の側面に
断熱性材料３が配設される。 （実施例）

【００４４】

【表１】 表１に本発明の道具体的な実施例を示している。

【００４４】表１中、（ ）内の数字は焼成用道具材本
体２の形状を表わしているもので、（１）…平板、
（２）…楕円板、（３）…円板、（４）…多角形板、
（５）…こう鉢型、（６）…台板を示す。また指数
「１」においては、用いた焼成用道具材本体２の熱伝導
率値を「１」にしたときの断熱性材料３の熱伝導率値の
比率を示す。指数「２」においては、有限要素法による
熱応力計算を行なったときの焼成用道具材本体２に発生
する最大の熱応力値を用いた焼成用道具材本体２の引張
強度で除算したときの値であり、この値が「１」である
ときは最大熱応力値と引張強度とが等しいことを意味し
ており、「１」を超えるときは亀裂の発生、「１」未満
のときは亀裂の発生なしを意味している。指数「３」に
おいては、実機に用いた際の耐用回数を比較品「１」の
耐用回数を基準とした場合の指数を表わしている。

【００４５】表１中、○内の数字は断熱性材料３の配設
の仕方を表わすもので、は焼成用道具材本体２を成形
する際にその周囲に予め所定の幅で断熱性材料を配して
おいて両者を一体に成形する方法によるもの。は成形
された焼成用道具材本体２の側面に所定厚にモルタル、
有機バインダ、無機バインダ、ピッチ、タール等の接着
材を介して断熱性材料を配設し、接着後接着材から生じ
る揮発成分を予め加熱除去する方法によるもの。は接
着材を介さずに断熱性材料を機械的に圧着する方法によ
るもの。は予め所定幅で所定形状に形成した断熱性材
料のみを予め加熱膨張させ、その内側に室温におかれて
いる焼成用道具材本体２を嵌合密着させ、断熱性材料が
室温に降下することにより収縮して焼成用道具材本体２
の側面に圧着する方法によるもの。はスラリーの流し
込み、吹付け等により断熱性材料を焼成用道具材本体２
の側面にコーティングし、その後揮発成分の除去または
焼付けのため加熱する方法によるもの。は溶射により
断熱性材料を焼成用道具材本体２の側面に配設する方法
によるものを意味している。

【００４６】上記表１にみられるように、本発明による
焼成用道具材本体２の形状が（１）〜（６）のいずれの
形状の場合であっても、図２にみられるように発生熱応
力は特定箇所に集中することがなく、かつ比較品１〜６
のいずれのものよりも大幅に下廻っており、使用回数に
おいても２〜６倍の延長がみられた。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、焼
成用道具材本体の側面に該本体の熱伝導率よりも低い熱
伝導率を有する断熱性材料を配設したことにより、焼成
用道具材の内部に生じる温度差を小さくすることがで
き、内部温度分布が平均化され、これにより迅速な昇降
温を行なっても発生応力値は非常に小さくなって亀裂や
割れの発生が抑制され、焼成用道具材の耐用性を著しく
向上させることができる。

【００４８】特に被焼成物が焼成用道具材に生じた亀裂
面の空孔による焼きむらや汚れ、変形、および運搬時の
落下破損等の悪影響を受けることがないので、製品の歩
留まりの向上を実現することができ、また焼成用道具材
の大きさや形状にかかわらず実施可能であるから、製品
の生産量の増大や最適な生産量の制御を可能とすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す斜視図。

【図２】図１の焼成用道具材を迅速降温した際に生じる
最大熱応力値とその発生位置およびその方向を示す説明
図。

【図３】従来の平板状の焼成用道具材を迅速降温した際
に生じる最大熱応力値とその発生位置およびその方向を
示す説明図。

【図４】図３の焼成用道具材の各辺の中央に辺に直交す
るスリットを施した場合の最大熱応力値とその発生位置
およびその方向を示す説明図。

【符号の説明】

１ 焼成用道具材 ２ 焼成用道具材本体 ３ 断熱性材料

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所要の形状を有する焼成用道具材本体の側
   面に該本体の熱伝導率より低い熱伝導率を有する断熱性
   材料を配設したことを特徴とするセラミックス焼成用道
   具材。
2. 【請求項２】前記断熱性材料の熱伝導率が焼成用道具材
   本体の熱伝導率の８０％以下である請求項１記載のセラ
   ミックス焼成用道具材。
3. 【請求項３】前記断熱性材料の配設幅が０．１ｍｍ以上
   である請求項１または２記載のセラミックス焼成用道具
   材。