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JPH0662335B2 - Casting ceramic material and manufacturing method thereof - Google Patents
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JPH0662335B2 - Casting ceramic material and manufacturing method thereof - Google Patents

Casting ceramic material and manufacturing method thereof

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Publication number
JPH0662335B2
JPH0662335B2 JP63304002A JP30400288A JPH0662335B2 JP H0662335 B2 JPH0662335 B2 JP H0662335B2 JP 63304002 A JP63304002 A JP 63304002A JP 30400288 A JP30400288 A JP 30400288A JP H0662335 B2 JPH0662335 B2 JP H0662335B2
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less
crystal
rare earth
modulus
young
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JP63304002A
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要 深尾
俊行 浜中
節 原田
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は中空管状のセラミックをアルミニウム、鋳鉄な
どの溶融金属で鋳ぐるむ場合に使用するセラミック材
料、特にガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等のポ
ートライナー、エキゾーストマニホールドライナー、ピ
ストンキャビティ、シリンダートッププレート等に用い
られる断熱性鋳ぐるみ用セラミック材料およびその製造
方法に関するものである。
The present invention relates to a ceramic material used when a hollow tubular ceramic is cast with a molten metal such as aluminum or cast iron, especially a port liner for a gasoline engine, a diesel engine, or the like. The present invention relates to a heat insulating cast ceramic material used for an exhaust manifold liner, a piston cavity, a cylinder top plate and the like, and a method for manufacturing the same.

(従来の技術) 近年自動車排ガスによる環境汚染が重要な社会問題とな
っており、自動車排ガス中の有害物質を触媒により除去
する方法が主体となっている。この触媒として使用され
ているPt、Rh等の貴金属は資源上、コスト上の問題から
使用量の削減が課題となっており、また近年増加傾向に
ある4バルブエンジンでは排ガス温度低下による触媒浄
化性能の低下が問題となっている。
(Prior Art) In recent years, environmental pollution due to automobile exhaust has become an important social problem, and a method for removing harmful substances in automobile exhaust by a catalyst is mainly used. The precious metals such as Pt and Rh used as this catalyst have a problem of reducing their usage due to resource and cost problems. In addition, the catalyst purification performance due to the decrease in exhaust gas temperature in 4-valve engines has been increasing in recent years. Is a problem.

これらの問題を解決する方法の1つにエンジンの排気ポ
ートや排気マニホールドの内面を低ヤング率のセラミッ
ク製のポートライナーによってライニングし、その断熱
作用により排ガス温度を上昇させることが特開昭63-236
759号公報に提案されている。また、本発明で目的とす
るチタン酸アルミニウムへの希土類元素の添加について
は、特公昭57-3629号公報および特開昭56-92164号公報
に開示されている。
As one of the methods for solving these problems, it is possible to line the exhaust port of the engine and the inner surface of the exhaust manifold with a port liner made of a ceramic having a low Young's modulus, and to raise the exhaust gas temperature by the heat insulation effect.
It is proposed in Japanese Patent No. 759. The addition of rare earth elements to aluminum titanate, which is the object of the present invention, is disclosed in JP-B-57-3629 and JP-A-56-92164.

(発明が開発しようとする課題) しかしながら、特開昭63-236759号公報で開示されてい
る材料では、使用した時の排ガス温度の変化による冷熱
サイクルにより、強度が劣化し、破損してしまう問題が
あった。
(Problems to be developed by the invention) However, in the material disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-236759, there is a problem that the strength deteriorates and breaks due to a cooling / heating cycle due to a change in exhaust gas temperature when used. was there.

また、特公昭57-3629号および特開昭56-92164号の発明
は、いずれもチタン酸アルミニウムに対してY,La,Ceの
酸化物を所定量添加することにより緻密質でかつ低膨張
の焼結体を得ている。しかしながら、いずれもヤング率
が高く、鋳ぐるみ材料として使用できない問題があっ
た。
Further, the inventions of JP-B-57-3629 and JP-A-56-92164 are both dense and have a low expansion by adding a predetermined amount of an oxide of Y, La or Ce to aluminum titanate. You have a sintered body. However, all of them have a high Young's modulus, and there is a problem that they cannot be used as cast-molding materials.

本発明は上記したような従来の課題を解決して、耐熱性
と耐熱衝撃性及び断熱性に優れるうえ、鋳ぐるみ時に発
生する圧縮力によってもクラックを発生するおそれがな
く、使用時の冷熱サイクルに対する耐久性をも兼ね備え
た低ヤング率鋳ぐるみ用セラミック材料およびその製造
方法を提供しようとするものである。
The present invention solves the conventional problems as described above, in addition to excellent heat resistance and thermal shock resistance and heat insulation, there is no risk of cracking due to the compressive force generated during casting, and the thermal cycle during use The present invention aims to provide a ceramic material for a low Young's modulus cast gurney that also has durability against the above and a manufacturing method thereof.

(課題を解決するための手段) 本発明の鋳ぐるみ用セラミック材料は、結晶相としてチ
タン酸アルミニウムを65容量%以上含有し、その結晶の
平均粒径が10μm以上であり、かつ希土類元素を酸化物
に換算して0.5〜16重量%含有するガラス相が20容量%
以下であって、それ以外の成分を含む場合はそれがルチ
ル、コランダム、ムライトのうちの一種類以上の結晶で
あり、ヤング率が50〜2000kgf/mm2であることを特徴と
するものである。
(Means for Solving the Problem) The ceramic material for cast iron of the present invention contains 65% by volume or more of aluminum titanate as a crystal phase, has an average grain size of 10 μm or more, and oxidizes rare earth elements. 20% by volume of glass phase containing 0.5 to 16% by weight
It is characterized in that it is a crystal of one or more kinds of rutile, corundum, and mullite, and Young's modulus is 50 to 2000 kgf / mm 2 when it contains the following other components. .

また、本発明の鋳ぐるみ用セラミック材料の製造方法
は、Al2O3源原料として、Al2O3成分が96重量%以下で、
平均粒径が3μm以上の原料と、TiO2源原料として平均
粒径が3μm以下の原料および所定の希土類元素を酸化
物に換算して1.8重量%以下配合した所定組成の粉体を
成形し、焼成することを特徴とするものである。
Further, the manufacturing method of the ceramic material for cast iron of the present invention, as an Al 2 O 3 source material, the Al 2 O 3 component is 96 wt% or less,
A raw material having an average particle diameter of 3 μm or more, a raw material having an average particle diameter of 3 μm or less as a TiO 2 source raw material, and a powder having a predetermined composition in which 1.8 wt% or less of a predetermined rare earth element are converted into oxides are molded, It is characterized by firing.

(作用) チタン酸アルミニウム結晶の各軸方向の熱膨張率は、
a,b軸が正、c軸が負であり、かつその差が非常に大
きいため、冷熱サイクルのような温度の変化によって、
粒界には歪みが発生する。従来からある微粒の結晶で構
成される材料では、この歪みはあまり問題にはならない
が、特にチタン酸アルミニウムの結晶を平均で10μm以
上に成長させて低ヤング率化した鋳ぐるみ用材料の場合
には、この歪みが非常に大きくなるため、冷熱サイクル
によって粒界の間隔が広がり、強度が劣化してしまうこ
とがわかった。
(Function) The coefficient of thermal expansion of the aluminum titanate crystal in each axial direction is
The a and b axes are positive and the c axis is negative, and the difference between them is very large.
Strain occurs at the grain boundaries. This distortion is not a serious problem in the conventional material composed of fine-grained crystals, but especially in the case of a material for cast iron that has a low Young's modulus by growing aluminum titanate crystals to an average of 10 μm or more. It was found that since the strain becomes extremely large, the intervals of the grain boundaries widen due to the cooling / heating cycle, and the strength deteriorates.

これに対し、Y,Ce,La等の希土類元素を微量添加する
と、冷熱サイクルによる強度劣化を防止できることを見
出した。これは、添加した希土類元素が粒界ガラス相に
凝集し、ガラス相の強度およびガラス相とチタン酸アル
ミニウム結晶との結合力が向上したことによるものと考
えられる。
On the other hand, it was found that the addition of a trace amount of rare earth elements such as Y, Ce, La can prevent the strength deterioration due to the cooling / heating cycle. It is considered that this is because the added rare earth element aggregated in the grain boundary glass phase to improve the strength of the glass phase and the bonding force between the glass phase and the aluminum titanate crystal.

すなわち、本発明はこのような知見に基いて完成された
ものであって、所定の結晶粒径を有するチタン酸アルミ
ニウムを主結晶相とし、このチタン酸アルミニウム結晶
の粒界に所定量の希土類元素を含有するガラス相が存在
する構造のセラミック材料が上記本発明の目的とする低
ヤング率を達成でき、かつ冷熱サイクル耐久性をも兼ね
備えた材料が得られることを見出した。
That is, the present invention has been completed on the basis of such knowledge, aluminum titanate having a predetermined crystal grain size as a main crystal phase, a predetermined amount of rare earth element in the grain boundary of the aluminum titanate crystal It has been found that a ceramic material having a structure containing a glass phase can contain the above-mentioned low Young's modulus, which is the object of the present invention, and also has a resistance to thermal cycling.

また、この結晶構造を有するセラミック材料を製造する
方法として、粗粒のAl2O3源原料と微粒のTiO2源原料お
よび所定量の希土類元素を使用することにより、上記材
料として好適な結晶相としてチタン酸アルミニウムを65
容量%以上含有し、その結晶の平均粒径が10μm以上で
あり、ヤング率を50〜2000kgf/mm2、圧縮強度を5〜40k
gf/mm2、気孔率を5〜35%とした鋳ぐるみ用セラミック
材料を得ることができる。
Further, as a method for producing a ceramic material having this crystal structure, by using a coarse grain Al 2 O 3 source raw material and fine grain TiO 2 source raw material and a predetermined amount of rare earth element, a crystal phase suitable as the above material Aluminum titanate as 65
Contains more than volume%, the average grain size of the crystal is more than 10μm, Young's modulus is 50 ~ 2000kgf / mm 2 , compressive strength is 5 ~ 40k
It is possible to obtain a ceramic material for cast bodies having a gf / mm 2 and a porosity of 5 to 35%.

なお、本発明のセラミック材料における各構成要件の限
定理由および好適な範囲は以下の通りである。チタン酸
アルミニウムを65容量%以上、その結晶の平均粒径を10
μm以上と限定したのは、それぞれの値が65容量%未
満、10μm未満であると、ヤング率が2000kgf/mm2を越
え鋳ぐるみ時にクラックが発生するためである。また、
ガラス相の量が20容量%を越えるとヤング率が2000kgf/
mm2を越えてしまうため、ガラス相の量を20容量%以下
とした。さらに、ガラス相中の希土類元素が酸化物に換
算して0.5重量%未満であると冷熱サイクルによる抗折
強度の劣化率が10%を越えてしまう。抗折強度の劣化
率が10%を越えると、金属で鋳ぐるんだ製品の冷熱サ
イクル耐久試験でセラミックが破損する場合があった
め、10%を劣化率の上限と考え、希土類元素の下限を
0.5重量%とした。一方、ガラス相中の希土類元素が酸
化物に換算して16重量%を越えるとヤング率が2000kgf/
mm2を越えてしまうため、鋳ぐるみ時にクラックが発生
するため、希土類の上限を16重量%とした。以上より、
ガラス相中の希土類元素の含有量を0.5〜16重量%と限
定した。
The reasons for limiting the respective constituents and the preferable ranges of the ceramic material of the present invention are as follows. Aluminum titanate 65% by volume or more, the average grain size of the crystal is 10
The reason why the value is limited to μm or more is that if the respective values are less than 65% by volume and less than 10 μm, the Young's modulus exceeds 2000 kgf / mm 2 and cracks occur during casting. Also,
When the amount of glass phase exceeds 20% by volume, Young's modulus is 2000 kgf /
Since it exceeds mm 2 , the amount of the glass phase is set to 20% by volume or less. Further, if the rare earth element in the glass phase is less than 0.5% by weight in terms of oxide, the deterioration rate of the bending strength due to the cooling / heating cycle exceeds 10%. If the deterioration rate of the transverse strength exceeds 10%, the ceramic may be damaged in the thermal cycle durability test of the product encased in metal, so 10% is considered as the upper limit of the deterioration rate and the lower limit of the rare earth element is set.
It was 0.5% by weight. On the other hand, when the rare earth element in the glass phase exceeds 16% by weight in terms of oxide, the Young's modulus is 2000 kgf /
Since it exceeds mm 2 , cracks occur during casting, so the upper limit of rare earth was set to 16% by weight. From the above,
The content of rare earth elements in the glass phase was limited to 0.5 to 16% by weight.

さらに、好適な範囲は以下の理由による。圧縮強度が5
kgf/mm2未満および/または抗折強度が0.2kgf/mm2未満
であると鋳ぐるみの際に変形のおそれがあり、取り扱い
上の問題も生ずるとともに、圧縮強度が40kgf/mm2を越
えるか抗折強度が2.0kgf/mm2を越えるとヤング率が2000
kgf/mm2を越える場合がある。また、気孔率が5%未満
では十分な断熱効果が得られず、35%を越すものは強
度、ヤング率が本発明の数値範囲を外れる場合がある。
ヤング率は特に50〜200kgf/mm2とすることが最も好まし
いが、ガラス相中の希土類元素が酸化物に換算して10重
量%より多くなるとヤング率が200kgf/mm2を越えてしま
う。さらに、セラミック材料の組成でAl2O340〜65重量
%、TiO230〜60重量%とすると好ましく、その理由はこ
れ以外の組成ではチタン酸アルミニウムの結晶量が65容
量%以上となりにくく、またSiO2、MgO、Fe2O3の少なく
とも1種を総計10重量%以下であると好ましいのは、10
重量%を越えると同じくチタン酸アルミニウムの結晶量
が65容量%以上となりにくく、また結晶粒径が10μm以
上とならない場合があるためである。さらに、本発明の
セラミック材料は、2.0×10-6(40〜800℃)以下の熱膨
張係数を持ち、また0.8〜5.0×10-3cal/cm・sec・℃の熱
伝導率を有すると、高温の排気ガスと直接接触するポー
トライナーに好適である。
Further, the preferable range is for the following reason. Compressive strength is 5
If it has a bending strength of less than 0.2 kgf / mm 2 and / or a bending strength of less than 0.2 kgf / mm 2 , it may be deformed during casting, causing handling problems, and whether the compressive strength exceeds 40 kgf / mm 2 . If the bending strength exceeds 2.0 kgf / mm 2 , the Young's modulus is 2000.
It may exceed kgf / mm 2 . Further, if the porosity is less than 5%, a sufficient heat insulating effect cannot be obtained, and if the porosity exceeds 35%, the strength and Young's modulus may be out of the numerical range of the present invention.
It is most preferable that the Young's modulus in particular 50~200kgf / mm 2, the rare earth elements of the glass phase is more than 10 wt% in terms of oxide Young's modulus exceeds the 200 kgf / mm 2. Furthermore, the composition of the ceramic material is preferably Al 2 O 3 40 to 65% by weight and TiO 2 30 to 60% by weight, because the crystal amount of aluminum titanate is less than 65% by volume in other compositions. Further, it is preferable that the total content of at least one of SiO 2 , MgO and Fe 2 O 3 is 10% by weight or less.
This is because when the amount exceeds 5% by weight, the crystal amount of aluminum titanate is unlikely to be 65% by volume or more, and the crystal grain size may not be 10 μm or more. Furthermore, the ceramic material of the present invention has a thermal expansion coefficient of 2.0 × 10 −6 (40 to 800 ° C.) or less, and a thermal conductivity of 0.8 to 5.0 × 10 −3 cal / cm · sec · ° C. Suitable for port liners that come into direct contact with hot exhaust gas.

次に、本発明の製造方法における、Al2O3源原料およびT
iO2源原料に対する限定理由は以下の通りである。Al2O3
源原料の純度は96%より高く、平均粒子径が3μm以上
の場合、Al2O3源原料の反応性が低いため未反応残留物
が多く、ヤング率が2000kgf/mm2より高くなり、アルミ
鋳ぐるみによるクラックの恐れがある。また、Al2O3
原料の平均粒子径が3μmより小さい場合、Al2O3源原
料の純度にかかわらずチタン酸アルミニウムの平均粒径
が10μm以下となり、ヤング率が2000kgf/mm2を越えて
しまう。さらに、Al2O3源原料中に含まれる不純物が重
量%でSiO220%、Fe2O320%あるいはSiO2、Fe2O3の総計
で20%を越えると、チタン酸アルミニウムの結晶が65%
以上とならず結晶粒径が10μm以上とならない場合があ
る。以上より、Al2O3源原料は、重量%で純度が96%以
下、平均粒径が3μm以上でなければならず、好ましく
は不純物量はSiO20〜20%、Fe2O30〜20%あるいはSiO
2、Fe2O3の総計で0〜20%であると好ましい。
Next, in the manufacturing method of the present invention, Al 2 O 3 source material and T
The reasons for limiting the iO 2 source material are as follows. Al 2 O 3
If the purity of the source material is higher than 96% and the average particle size is 3 μm or more, the reactivity of the Al 2 O 3 source material is low, so there are many unreacted residues, and the Young's modulus is higher than 2000 kgf / mm 2. There is a risk of cracks due to cast metal. When the average particle size of the Al 2 O 3 source material is smaller than 3 μm, the average particle size of aluminum titanate is 10 μm or less regardless of the purity of the Al 2 O 3 source material, and the Young's modulus exceeds 2000 kgf / mm 2 . Will end up. Furthermore, if the impurities contained in the Al 2 O 3 source material exceed 20% by weight of SiO 2 and 20% of Fe 2 O 3 or the total amount of SiO 2 and Fe 2 O 3 is 20% by weight, aluminum titanate crystals are crystallized. Is 65%
In some cases, the crystal grain size does not exceed 10 μm. From the above, the Al 2 O 3 source raw material must have a purity of 96% or less by weight% and an average particle size of 3 μm or more, and preferably the amount of impurities is SiO 2 0 to 20% and Fe 2 O 3 0 to 0. 20% or SiO
It is preferable that the total of 2 and Fe 2 O 3 is 0 to 20%.

さらに、TiO2源原料は、平均粒径が3μmより大きいと
未反応残留物が多くなり、ヤング率が2000kgf/mm2を越
え、アルミ鋳ぐるみによるクラックの恐れがある。した
がって、TiO2源原料は、平均粒径が3μm以下でなけれ
ばならない。
Further, in the TiO 2 source material, if the average particle size is larger than 3 μm, unreacted residue increases, Young's modulus exceeds 2000 kgf / mm 2, and there is a risk of cracking due to cast aluminum. Therefore, the TiO 2 source material must have an average particle size of 3 μm or less.

Y,La,Ce等希土類元素の添加量は、1.8重量%以下とする
ことで、ヤング率2000kgf/mm2以下、さらに好ましくは
0.3重量%未満であればヤング率200kgf/mm2以下とする
ことができる。
The addition amount of rare earth elements such as Y, La, and Ce is 1.8 wt% or less, so that Young's modulus is 2000 kgf / mm 2 or less, and more preferably
If it is less than 0.3% by weight, the Young's modulus can be 200 kgf / mm 2 or less.

(実施例) 本発明のセラミック材料を製造するには、まずアルミ
ナ、仮焼ボーキサイト、精製ルチル、粗製ルチル、アナ
ターゼ型チタン、イルメナイト、フェライトベンガラ、
電融マグネシウム、マグネサイト、電融スピネル、カオ
リン、石英、電融シリカおよび所定の希土類元素等か
ら、化学組成が重量%でAl2O340〜65%、TiO230〜60%
であり、SiO2、MgO、Fe2O3の少なくとも1種が総計で10
%以下となるように原料を選択する。
(Example) In order to produce the ceramic material of the present invention, first, alumina, calcined bauxite, refined rutile, crude rutile, anatase type titanium, ilmenite, ferrite red iron oxide,
Al 2 O 3 40-65%, TiO 2 30-60% by weight% in chemical composition from fused magnesium, magnesite, fused spinel, kaolin, quartz, fused silica and certain rare earth elements.
And at least one of SiO 2 , MgO, and Fe 2 O 3 is 10 in total.
The raw materials are selected so as to be less than or equal to%.

このとき、Al2O3源原料としてAl2O3成分が96重量%以下
で平均粒径が3μm以上の原料と、TiO2源原料として平
均粒径が3μm以下の原料を混合する必要がある。
At this time, it is necessary to mix a raw material having an Al 2 O 3 component of 96% by weight or less and an average particle diameter of 3 μm or more as an Al 2 O 3 source raw material with a raw material having an average particle diameter of 3 μm or less as a TiO 2 source raw material. .

また、希土類元素は、硝酸塩、酸化物、その他の化合物
の形でも添加することができるが、微量添加で効果を得
るためには、微粒子の原料を用いて均一分散させること
が好ましい。
Further, the rare earth element can be added in the form of nitrate, oxide, or other compound, but it is preferable to uniformly disperse it by using a fine particle raw material in order to obtain the effect by adding a trace amount.

これに水ガラス、ポリカルボン酸アンモニウム塩、アミ
ン類、ピロリン酸ナトリウム等から選択された解膠剤を
0.1〜1.0%添加し、更にPVA、MC、CMC、アクリル酸塩等
から選択されたバインダを1.0〜5.0%添加して15〜40%
の水とともにトロンメル、ポットミル等で十分に混合攪
拌して200〜1000cpの粘度のスラリーを調整する。この
ようなスラリーは流し込み法によって円筒形又はポート
ライナーの形状に成形されたうえで乾燥、焼成される。
この結果、結晶相としてチタン酸アルミニウムを65以上
含有し、希土類元素を酸化物に換算して0.5〜16%含有
するガラス相を20%以下含有する耐熱性、耐熱衝撃性、
断熱性および冷熱サイクル耐久性に優れたチタン酸アル
ミニウム焼結体が得られるのであるが、その他の結晶相
としてルチル、コランダム、ムライトのうち1種以上の
結晶を含んでもよい。本発明においては、この焼成の際
の条件を例えば1450〜1650℃、好ましくは1500〜1600℃
で1〜16時間程度に設定することにより、チタン酸アル
ミニウムの結晶を平均粒径が10μm以上となるまで十分
に成長させる。これによってヤング率が50〜2000kgf/mm
2、好ましくは圧縮強度が5〜40kgf/mm2、抗折強度0.2
〜2.0kgf/mm2、気孔率5〜35%の物性値を持たせること
ができる。このような低ヤング率のセラミック材料は鋳
ぐるんだ金属材料が収縮する際に金属材料とともに収縮
することができ、特に従来の高強度高ヤング率セラミッ
クでは応力の集中により破壊してしまうような複雑な形
状でもクラックを発生することがない。
Peptizer selected from water glass, ammonium polycarboxylate, amines, sodium pyrophosphate, etc.
0.1 to 1.0% added, and further added 1.0 to 5.0% binder selected from PVA, MC, CMC, acrylate, etc., 15 to 40%
Mix well with water using a trommel, pot mill, etc. to prepare a slurry having a viscosity of 200 to 1000 cp. Such a slurry is formed into a cylindrical shape or a port liner shape by a pouring method, and then dried and fired.
As a result, containing 65 or more aluminum titanate as a crystal phase, heat resistance, thermal shock resistance containing 20% or less of a glass phase containing 0.5 to 16% by converting a rare earth element into an oxide,
Although an aluminum titanate sintered body having excellent heat insulating properties and cold cycle durability can be obtained, other crystalline phase may include one or more crystals of rutile, corundum and mullite. In the present invention, the conditions for this firing are, for example, 1450 to 1650 ° C, preferably 1500 to 1600 ° C.
By setting the time to about 1 to 16 hours, the crystals of aluminum titanate are sufficiently grown until the average grain size becomes 10 μm or more. As a result, the Young's modulus is 50 to 2000 kgf / mm
2 , preferably 5-40kgf / mm 2 compressive strength, 0.2 bending strength
It can have physical properties of ~ 2.0 kgf / mm 2 and porosity of 5-35%. Such a low Young's modulus ceramic material can shrink together with the metal material when the cast metal material shrinks, and in particular, the conventional high-strength high Young's modulus ceramic is likely to be destroyed due to stress concentration. No cracks occur even in complicated shapes.

従って円筒タイプのポートライナーはもちろんのこと第
1図及び第2図に示すような4バルブエンジン用のシリ
ンダー側に2本のポート2を有し、エギゾーストマニホ
ールド側に単一の排気口1を有する複雑形状なポートラ
イナー3、あるいは第3図に示すようなエキゾーストマ
ニホールドライナーにも好適である。またこの焼結体中
のマイクロクラックにより熱伝導率が低くなり、比較的
気孔率が小さくても十分な断熱効果が発揮される。
Therefore, not only the cylindrical type port liner but also the four-valve engine has two ports 2 on the cylinder side and a single exhaust port 1 on the exhaust manifold side as shown in FIGS. It is also suitable for a shaped port liner 3 or an exhaust manifold liner as shown in FIG. In addition, the thermal conductivity becomes low due to the microcracks in the sintered body, and a sufficient heat insulating effect is exhibited even if the porosity is relatively small.

チタン酸アルミニウムは1700℃以上の融点を有するた
め、鋳ぐるむための溶融金属は特に制限はなくネズミ鋳
鉄、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄、アルミニウム合金、銅合
金、マグネシウム合金、亜鉛合金による鋳ぐるみに適用
できる。
Since aluminum titanate has a melting point of 1700 ° C or higher, there is no particular limitation on the molten metal for casting, and it can be applied to cast iron made of gray cast iron, spheroidal graphite cast iron, white cast iron, aluminum alloy, copper alloy, magnesium alloy, zinc alloy. .

また、ガラス相中に微量の希土類元素を存在させること
によって、粒界ガラス相がチタン酸アルミニウムと強固
に接合され、上記の低ヤング率な鋳ぐるみに好適な性質
を損うことなく冷熱サイクル耐久性を兼ね備えた材料が
得られる。
In addition, the presence of a trace amount of rare earth elements in the glass phase causes the grain boundary glass phase to be strongly bonded to aluminum titanate, and the thermal cycle durability without impairing the properties suitable for the above-mentioned low Young's modulus cast iron. A material having both properties is obtained.

以下、実際の例について説明する。Hereinafter, an actual example will be described.

実施例 以下の第1表に示されるAl2O3源原料および第2表に示
されるTiO2源原料を主原料として第3表に示される試験
No.1〜35の組成となるように原料を調合し、鋳型に流
し込んで肉厚3mm、長径64mm、短径36mmの楕円筒形状の
テストピースを作製した。各テストピースを第3表に示
した条件で焼成し、得られた焼成体に対して各種特性を
測定した。
Examples Tests shown in Table 3 using Al 2 O 3 source materials shown in Table 1 below and TiO 2 source materials shown in Table 2 as main materials.
Raw materials were prepared so as to have compositions of Nos. 1 to 35, and the mixture was poured into a mold to prepare an elliptic cylindrical test piece having a wall thickness of 3 mm, a long diameter of 64 mm, and a short diameter of 36 mm. Each test piece was fired under the conditions shown in Table 3, and various characteristics of the obtained fired body were measured.

次に、各焼成体に鋳砂を詰めた後に、アルミニウムによ
り鋳ぐるみ、アルミニウム肉厚が7mmの金属セラミック
複合体を作製した。鋳砂を除去した後にテストピースに
クラックが発生したか否かを確認した。結果を第3表に
示す。
Next, after filling each of the fired bodies with sand, a cast body made of aluminum was prepared to produce a metal-ceramic composite body having an aluminum wall thickness of 7 mm. After removing the casting sand, it was confirmed whether the test piece had cracks. The results are shown in Table 3.

第3表において、冷熱サイクル試験は、第4図に冷熱サ
イクルのスケジュールおよび実際の試料温度を示すよう
に室温10分間保持と900℃20分間保持の冷熱サイクルを5
0回くり返した前後での抗折強度の劣化率を測定した。
また、チタン酸アルミニウムおよびガラス相の量は、SE
M写真におけるそれぞれの面積率から求めた体積%とし
て求めた。さらに、ガラス相中の希土類元素の量は、透
過電子顕微鏡でのEDX分析を用いて測定した。
In Table 3, the thermal cycle test shows 5 thermal cycle cycles of room temperature for 10 minutes and 900 ° C for 20 minutes, as shown in Figure 4 for the thermal cycle schedule and actual sample temperature.
The deterioration rate of the bending strength before and after repeating 0 times was measured.
The amount of aluminum titanate and glass phase is SE
The volume percentage was calculated from the area ratio of each M photograph. Furthermore, the amount of rare earth elements in the glass phase was measured using EDX analysis with a transmission electron microscope.

なお、本発明と比較例の材料について、冷熱サイクルに
よる変化を確認しやすくするため、焼成物と600サイク
ルまで上記冷熱サイクル試験を実施した後の焼成物の電
子顕微鏡写真を第5図(a),(b)および第6図(a),(b)にそ
れぞれ示す。すなわち、第5図(a),(b)に本発明の焼成
体の冷熱サイクル前および後の結晶構造を、第6図(a),
(b)の比較例の焼成体の冷熱サイクルの前および後の結
晶構造をそれぞれ示す。第5図(a),(b)と第6図(a),(b)
とから、比較例の材料は冷熱サイクルによって粒界の間
隔が広がっているが、本発明の材料では、冷熱サイクル
試験前後に顕著な差が認められない。
In addition, regarding the materials of the present invention and the comparative example, in order to make it easier to confirm the change due to the thermal cycle, an electron micrograph of the calcined material and the calcined material after the above thermal cycle test up to 600 cycles is shown in FIG. 5 (a). , (b) and FIGS. 6 (a), (b), respectively. That is, FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the crystal structures of the fired body of the present invention before and after the cooling / heating cycle, and FIGS.
The crystal structures of the fired body of the comparative example of (b) before and after the cooling / heating cycle are shown, respectively. 5 (a), (b) and 6 (a), (b)
Therefore, in the material of the comparative example, the intervals of the grain boundaries are widened by the heat cycle, but in the material of the present invention, no remarkable difference is observed before and after the heat cycle test.

第3表の結果から、本発明の実施例で得られたセラミッ
ク材料は、鋳ぐるみによるクラックの発生が全く認めら
れないとともに、比較例と比べて冷熱サイクル試験によ
る劣化が少ないことがわかる。
From the results shown in Table 3, it can be seen that the ceramic materials obtained in the examples of the present invention have no cracks caused by the cast metal and are less deteriorated by the thermal cycle test than the comparative examples.

(発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明の鋳ぐるみ用セ
ラミック材料およびその製造方法によれば、所定の粗粒
のAl2O3源原料、微粒のTiO2源原料および希土類元素を
使用することにより、結晶相としてチタン酸アルミニウ
ムを65容量%以上含有し、その結晶の平均粒径が10μm
以上であり、希土類元素を酸化物に換算して0.5〜16重
量%含有するガラス相を20容量%以下含有した結晶構造
を得られ、その結果ヤング率が低く、耐熱性と耐熱衝撃
性および断熱性に優れるうえ、鋳ぐるみ時に発生する圧
縮力によってもクラックを発生するおそれがなく、かつ
冷熱サイクル耐久性を兼ね備えた鋳ぐるみ用セラミック
材料を得ることができる。
(Effects of the Invention) As is clear from the above description, according to the ceramic material for cast iron of the present invention and the method for manufacturing the same, a predetermined coarse grain Al 2 O 3 source raw material, fine grain TiO 2 source raw material, and rare earth are provided. By using an element, the crystal phase contains aluminum titanate at 65% by volume or more, and the average grain size of the crystal is 10 μm.
As described above, it is possible to obtain a crystal structure containing 20% by volume or less of a glass phase containing 0.5 to 16% by weight of a rare earth element as an oxide, and as a result, the Young's modulus is low, and the heat resistance, thermal shock resistance and heat insulation are low. It is possible to obtain a ceramic material for cast iron which is excellent in properties, has no possibility of cracks due to the compressive force generated during casting, and has both heat and cold cycle durability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は4バルブエンジン用ポートライナーの斜視図、 第2図はエンジンヘッドに鋳ぐるみ後のポートライナー
の断面図、 第3図はエキゾーストマニホールドライナーの鋳ぐるみ
後の断面図、 第4図は本発明の評価方法における冷熱サイクルのスケ
ジュールを示すグラフ、 第5図(a),(b)は本発明の焼成体の冷熱サイクル前およ
び後の結晶の構造を示すSEM写真、 第6図(a),(b)は比較例の焼成体の冷熱サイクル前およ
び後の結晶の構造を示すSEM写真である。
FIG. 1 is a perspective view of a port liner for a 4-valve engine, FIG. 2 is a cross-sectional view of the port liner after being cast into the engine head, FIG. 3 is a cross-sectional view of the exhaust manifold liner after being cast in, and FIG. 5 (a) and 5 (b) are SEM photographs showing the crystal structures of the fired body of the present invention before and after the cooling / heating cycle, and FIG. 6 (a) and 6 (a), respectively. (b) is an SEM photograph showing the crystal structure of the fired body of the comparative example before and after the thermal cycle.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】結晶相としてチタン酸アルミニウムを65容
量%以上含有し、その結晶の平均粒径が10μm以上であ
り、かつ希土類元素を酸化物に換算して0.5〜16重量%
含有するガラス相が20容量%以下であって、それ以外の
成分を含む場合はそれがルチル、コランダム、ムライト
のうち一種類以上の結晶であり、ヤング率が50〜2000kg
f/mm2であることを特徴とする鋳ぐるみ用セラミック材
料。
1. An aluminum titanate as a crystal phase is contained in an amount of 65% by volume or more, the average grain size of the crystal is 10 μm or more, and the rare earth element is converted into an oxide in an amount of 0.5 to 16% by weight.
If the glass phase contained is 20% by volume or less, and if it contains other components, it is a crystal of at least one of rutile, corundum, and mullite, and the Young's modulus is 50 to 2000 kg.
A ceramic material for cast bodies characterized by having f / mm 2 .
【請求項2】Al2O3源原料として、Al2O3成分が96重量%
以下で、平均粒径が3μm以上の原料と、TiO2源原料と
して平均粒径が3μm以下の原料および所定の希土類元
素を酸化物に換算して1.8重量%以下配合した所定組成
の粉体を成形し、焼成することを特徴とする鋳ぐるみ用
セラミック原料の製造方法。
Wherein Al as 2 O 3 source material, Al 2 O 3 component is 96 wt%
In the following, a raw material having an average particle diameter of 3 μm or more, a raw material having an average particle diameter of 3 μm or less as a TiO 2 source material, and a powder having a predetermined composition in which 1.8 wt% or less of a predetermined rare earth element are converted into oxides A method for producing a ceramic raw material for cast dolls, which comprises molding and firing.
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