耐熱性定位器及其製造方法
2023-05-23 22:12:26
專利名稱：耐熱性定位器及其製造方法
技術領域：
本發明關於耐熱性定位器及其製造方法，更詳細而言是關於可以在高溫環境內積載物品而運送用的輕量且具有因磨損等產生的粉塵少的優良耐磨損性的耐熱性定位器及其製造方法。
另一方面，如上述的定位器由於在高溫的爐中與室溫的作業場之間頻繁地放入取出，因此除了具有耐熱性且耐熱衝擊性之外，期待具有輕量且蓄熱量小即比熱小的物品。從以上的觀點，上述的定位器通常從耐熱性的觀點來看，以天然的硅藻土、石墨或氧化鋁、氮化矽、氧化鋯等所構成。上述的耐熱性材料中以往即已知悉天然產的硅藻土及石墨的存在，也可以使用簡易的材料作為上述的定位器。
上述的硅藻土的主成分為SiO2、Al2O3的天然產的單細胞藻類，及其堆積時混入混有黏土·砂等軟質的生物巖，由於耐熱性佳且切削等的加工容易，因此自古即利用火爐等的加工。但是，可方便使用的硅藻土的一方面是脆性強度方面較劣。與上述其他物體衝突時容易缺損，或與其他物體摩擦時容易磨損產生粉塵，其粉塵朝著周邊飛散損害環境，並且其粉塵時而混入加熱對象的材料內發生不良品的問題。
另外，上述的石墨具有優異的耐熱性，大的熱傳導率較小的膨脹係數，並且為具有滑動佳等的優異特性的材料，但是其相反面是由於比重及比熱大因此製作相同大小的定位器時每一個的重量大，並具有硬度小容易磨損等缺點，與上述場合相同會有因粉塵飛散產生對於加工物或環境不良影響的問題。
於日本專利特開昭60-29586號公報中揭示，為改善碳素材磨損產生的缺點，作為使用上述碳素材(石墨)的定位器於陶瓷性頂接位置安裝支撐構件。但是，上述的定位器如上述由於比重大因此重量大。例如在800℃以上的高溫條件下氧化而不能使用。
另外，上述的硅藻土及石墨由於是天然產的固型材料，因此加工成目的的定位器時，必須以切削從塊狀的材料獲得目的的形狀，因此會有原料效率及生產效率不良等的問題點。
上述的粉塵不但會對作業現場的環境不良，並且不純物的加工物品也會產生不良影響。時而上述粉塵會蓄積在加熱器的一部份，造成加熱器劣化的原因。與此同時，加熱器會因磨損而縮短壽命，必須頻繁地以新的物品更換。
而且，上述的氧化鋁、氮化矽、氧化鋯等具有優異的耐熱性、耐磨損性的昂貴物，比重與比熱皆大，且由於加工困難，在實用上容易被避免使用。
根據上述背景，檢討作為構成定位器的材料的具有耐熱性且輕量材料內部含多數空隙的材料的多孔性陶瓷，多孔性陶瓷雖然輕量，但是耐磨損性不足，因此與其他物體摩擦時容易磨損，而不能充分消除與爐床摩擦容易產生大量粉塵的缺點。
亦即，本發明的第1要旨為基材部分主要以多孔性陶瓷所構成的耐熱性定位器，其為至少在使用時與其他物品頂接的基材部分的位置上安裝有耐熱性且耐磨損性材料所構成的支撐構件所成的耐熱性定位器。
第2要旨為上述的耐熱性定位器的製造方法，上述的基材部分由包含下述步驟的製造工序製成，以作為主成分的耐熱性無機質材料及無機質黏結劑作為必須成分加入水中調至混合物的混合步驟；將所獲得的混合物成形為預定形狀的成形步驟；使成形物乾燥硬化的乾燥步驟；及，燒成硬化後的成型體的燒成步驟。
根據本發明的耐熱性定位器及其製造方法的實施形態說明如下。本發明的耐熱性定位器，為本發明的第1要旨的基材部分主要為多孔性陶瓷所構成的耐熱性定位器，至少在使用時與其他物品頂接的基材部分的位置上安裝耐熱性且耐磨損性所構成的支撐構件。
構成上述基材部分的多孔質陶瓷，由包含以耐熱性無機質材料及無機質黏結劑為必須成分，必要時將有機質黏結劑及/或可燃性有機質材料，其他添加物加入水中調製混合物的混合步驟；將所獲得的混合物成形為預定形狀的成形步驟；使成形物乾燥硬化的乾燥步驟；及，燒成硬化後的成形體的燒成步驟的製造工序所製造。
上述耐熱性無機質材料雖未加以特別限定，但是是在混合步驟～燒成步驟之間不會根本地融熔變形的纖維狀或粒子狀物。此外，對於上述纖維狀與粒子狀的區分在JIS-L0204中，纖維規定為所謂的與其粗細比較具有充分的長度，細且容易撓曲之意，但是由於纖維與粒子不能嚴格地區分，因此本發明中對於纖維及粒子並未加以嚴格區分，一併稱為耐熱性無機質材料，使用適當纖維狀與粒子狀的表現。
適當組合纖維狀物與粒子狀物地使用上述的耐熱性無機質材料。作為纖維狀耐熱性無機質材料可舉例如石綿、玻璃纖維、矽石絨、氧化鋁矽纖維、碳化矽纖維、氮化矽纖維、碳化矽單晶纖維、氮化矽單晶纖維等矽酸質材料，其他如氧化鋁纖維、氧化鋯纖維、碳纖維、氮化硼纖維、鈦酸鈣單晶纖維、硼酸鋁單晶纖維等。
還有，粒子狀耐熱性無機質材料可舉例如黏土、碳酸鈣、滑石、氧化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、二氧化鈦、陶土、沸石、氮化矽、多孔質碳等。除了這些各成分之外，必要時也可以添加耐熱性顏料等著色劑。
上述耐熱性無機質纖維狀材料的長度或者粒子狀材料的直徑雖然未加以限定，但是考慮水中分散性時，以3mm以下為佳。另外，粒子狀材料的直徑，為了使製品的多孔質陶瓷的氣孔率更大，例如以1-100μm為佳。
上述無機質黏結劑是在燒成步驟中使上述無機質材料互相融熔的材料，這些材料雖然未加以限定，但是一般可以使用玻璃屑、膠態二氧化矽、氧化鋁溶膠、氧化矽溶膠、矽酸鹽、二氧化鈦溶膠、矽酸鋰、矽酸鈉等，或組合這些兩種以上使用。
上述耐熱性無機質材料與無機質黏結劑的配合比率是相對於無機質材料100質量份數無機質黏結劑一般為5-50質量份數，以10-30質量份數為佳，最好是10-20質量份數。無機質黏結劑的使用量小於5質量份數時強度不足，超過50質量份數時則耐熱衝擊性差。
另外，上述可燃性有機質材料是在以成形性及為目的必須增加多孔質陶瓷的氣孔率的場合使用，混合步驟～乾燥步驟之間使用可維持其形狀的耐水性物。上述步驟之間所佔據的空間在燒成步驟中燒除僅殘留氣孔。
如上述的材料雖然未加以限定，但是可舉例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂等可燃性合成樹脂、木材、竹材、其他天然有機物等。形狀可為纖維狀，或者粒子狀。這些材料也可以適當使用作為內部發泡之用。
並且可以組合上述可燃性有機質材料的二種以上使用。對於纖維狀與粒子狀的區分與上述無機質材料的場合相同。有關材料的纖維狀物的直徑或粒子狀物的直徑一般在1-5000μm的範圍，以5-2000μm為佳，最好是10-1000μm。
上述可燃性有機質材料的使用量可考慮以作為目的的多孔質陶瓷為目標的氣孔率因應需要而適當決定，相對於無機質材料100質量份數，一般為0-100質量份數，以5-30質量份數為佳。
上述有機質的黏結劑是為了改良原料混合物成形階段的混合物可塑性的調整，提高強度等操作性，根據需要而使用，一般含稱為增黏劑之物。該成分於燒成步驟中被燒除。
上述的有機質黏結劑可舉例如甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥甲基纖維素、羥乙基纖維素、聚乙烯醇、酚醛樹脂、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸礆、丙烯酸樹脂、聚醋酸乙烯樹脂、聚乙烯醇樹脂、環氧樹脂等。此外，並可組合這些二種以上使用。上述的有機質黏結劑的使用量相對於無機質材料100質量份數通常是0-20質量份數，最好是1-10質量份數。
除了上述各原料成分之外可添加習知的添加物。有關的添加物，例如並周硫酸鋁、凝聚劑。
上述的混合步驟為可將上述耐熱性無機質材料、無機質黏結劑、有機質黏結劑、可燃性有機質材料，及其他添加物的預定量與水混合，獲得均勻的混合物的步驟。該混合步驟所使用的水量可適當調整。
上述的成形步驟為將上述混合的步驟所調製的最好具有可塑性的混合物成形為預定形狀的步驟。成形方法雖然未加以限定，但是可運用加壓成形、擠壓成形、溼式成形法等。上述形狀不僅限於板狀、角柱形、圓盤形、圓柱形、波板狀、有孔板等，此外處理對象物具有流動性的場合，可在該形狀的表面形成凹曲面形狀，並可因應盤形、碗狀、杯狀、圓筒形等用途予以任意設定。
安裝於本發明的耐熱性定位器的支撐構件可於上述的成形步驟中一體安裝。亦即，在上述成形步驟中使用的成形模中基材部分至少在使用時與其他物品頂接的位置上從基材部分的表面，可在一般僅突出0.1-5mm，最好是0.5-2mm左右露出的位置上配置支撐構件，並在其周圍的模具空間內將上述混合物脫水填充一體形成一體裝填的形狀。
上述基材部分與其他物品頂接的位置，具體而言，例如必須有與地面形成相對面的底面，必要時可舉例如運送中其他耐熱性定位器彼此間或與使用的高溫爐爐壁接觸或衝突的位置，或耐熱性定位器操作用的推壓把持用的接觸位置。
構成上述支撐構件的材料有高溫即例如800℃左右以上，最好是1000℃以上高溫的耐熱性，且莫氏硬度為4以上，並以6以上為佳，最好是在8以上，並可選擇具有優異的耐磨損性物。另外，熱膨脹係數為4*10-6-10*10-6/℃、最好是4*10-6-6*10-6/℃。
上述的材料可舉例如具有優異的耐熱性的碳化矽、氮化矽、氧化鋁、富鋁紅柱石等，其中從與構成本發明的基材部分成分的熱膨脹係數的類似性來看，以氧化鋁、富鋁紅柱石為主成分較為適當。
上述支撐構件的形狀雖然未加以限定，但是例如以剖面為逆三角形、逆梯形、環形、T字型、十字形等，埋設於上部基材部分的部分的寬度較露出部分寬，並於高溫爐中使用本發明的目的製品的定位器時不會脫落的形狀為佳，但是在上下同一寬度或者露出部分的寬度較寬的場合，也可以為螺絲形、工字形等局部可鉤掛的形狀。
上述的支撐構件是以將其安裝於基材部分時與基材的邊界面上存在有黏著劑為佳。
上述乾燥步驟，在使用有機質材料及/或有機質黏結劑等有機質的場合，通常在燒成步驟之前，在常溫或加熱溫度下乾燥，除去水分的同時使成形體硬化進行成形體形狀的確定。上述加熱溫度，一般在120℃以下，最好是在水分穩定且容易蒸發的105℃左右進行。或者，乾燥時間可藉著加熱溫度變化，一般約3-24小時左右。
上述燒成步驟一般是在400-1200℃的高溫進行，使殘留的可燃性有機質材料、有機質黏結劑完全消失，並使無機質黏結劑融熔形成全體一體化的階段。最終燒成階段的加熱時間是依加熱溫度、使用材料成分、配合比等變化，一般為1-20小時左右。
如上述，將上述混合物的成形中的可燃性有機質材料、有機質黏結劑及其他有機質成分加以完全燒除，熱融熔無機質黏結劑，與耐熱性無機質材料一體化獲得實質上僅無機質成分所構成的燒成體，即多孔質體。
上述的成形步驟中未一體安裝支撐構件的場合是針對燒成步驟後的燒成體，在完成後的基材部分的至少在使用時與其他物品頂接的部位在從基材表面一般僅突出0.1-5mm，最好是0.5-2mm左右露出的位置上，在燒成後的成形體的對應位置上穿設可配置支撐構件的孔，在此孔內嵌裝支撐構件。
嵌裝上述支撐構件時，以預先在該支撐構件的表面或上述穿孔後的孔內壁面塗敷耐熱性黏著劑例如氧化鋁-矽酸鹽系黏著劑為佳。或者針對燒成後的成形體進行上述支撐構件的安裝且耐熱性黏著劑為可藉著高溫熱處理髮揮黏著性之物的場合，必須再次進行高溫處理。
除了上述各種處理之外，可進行耐熱性脫模劑的塗敷、耐熱性硬質物質的表面塗敷及其他二次加工。
上述獲得的多孔質陶瓷體所構成的耐熱性定位器具有基於使用的材料構成的優異耐熱性，由於構造為多孔質，其外觀密度為1.7g/cm3以下，以1.0g/cm3以下為佳，最好是在0.6g/cm3以下，輕量且操作容易，並且由於熱容量小，因此在高溫爐中使用時顱內的熱能量消耗小，並可藉著裝填的支撐部的效果使與爐底間的滑動順暢。
圖2是以實施例1製作的耐熱性定位器的底面平面說明圖。
圖3是垂直於實施例1製作的耐熱性定位器的長度方向的剖面說明圖。
圖4是垂直於實施例2製作的耐熱性定位器的長度方向的剖面說明圖。符號說明1 耐熱性定位器(成形體)2 上面
4 底面5 垂直長度方向剖面6 T形支撐構件埋沒部分7 T形支撐構件露出部分11 耐熱性定位器12 上面14 垂直長度方向剖面15 管形支撐構件埋沒部分16 管形支撐構件露出部分其他熱膨脹係數為7*10-6℃、莫式硬度為9的氧化鋁燒結體，將剖面為全寬度15mm、縱長15mm、腳部寬度5mm的T字型，長度50mm的棒形支撐構件以燒結製成4根。露出設定部分7的下部末端面平滑地研磨形成微凸曲面，埋沒於定位器基材部分1中的設定部分6的表面塗敷耐熱性黏著劑(Fineflexcoat(商標名)、NICHIAS股份有限公司制)。
另外，在成形裝置的模具中，成形品的剖面為50mm*50mm的四邊形，長度為250mm的柱狀，形成定位器的底部4的圖2表示的4個位置上使用可配置突出上述支撐構件的寬度5mm的腳長0.5mm。
在模具內預定的位置上配置支撐構件之後，在模具內的其他空間填充上述漿料脫水成形，從模具中取出以105℃乾燥12小時獲得於底面安裝支撐構件的硬化成形體，將此成形體1以1200℃3小時燒成熔著無機質黏結劑獲得使無機質成分一體化的柱狀耐熱性定位器。
對於所獲得的耐熱性定位器測定其質量及體積，從其中扣除支撐構件的部分算出體密度，體密度為0.6g/cm3。以20℃的室內測定耐熱性定位器整體的比熱為0.25kcal/kg.℃。
另外，上述耐熱性定位器1的上面2載置100g的硼矽酸鹽玻璃試樣，放入爐底為耐熱性碳化矽溫度調整至800℃的加熱爐內，放置30分鐘後，再升溫至900℃，放置30分鐘後取出。取出時以金屬棒掏出，耐熱性定位器1會在爐底滑動，底面4不會與碳化矽的底面接觸而不會產生摩擦。
將耐熱性定位器1冷卻後，觀察安裝在定位器的底面4的支撐構件的安裝狀態及安裝部的周邊，由於預先在其表面塗敷的耐熱性黏著劑的緩衝效果，可確認並未發生鬆弛、不勻稱及周邊的破損等現象。比較例1以切削石墨形成實施例1製作的耐熱性定位器及外形與實施例1相同尺寸的基材部分。另外，製作4個與實施例1所使用相同形狀的碳化矽制的支撐構件。使上述支撐構件其表面自基材部分底面突出厚度0.5mm定位在上述基材部分上，從與長度方向正交的各端面側穿設T字型孔。
平滑地研磨上述支撐構件露出的部分的表面，並且在應埋入基材部份中的部分塗敷耐熱性黏著劑Fineflexcoat，嵌埋於上述孔內，入口部的殘餘空間內填充Fineflexcoat製作耐熱性定位器。
與實施例1的場合相同，將此耐熱性定位器放入爐底鋪有耐熱性碳化矽板的溫度調製為800℃的加熱爐內，放置30分鐘之後，再升溫至1000℃的途中，基材部分的石墨在達1000℃氧化開始之前以與實施例1相同的方法取出。
取出時雖以金屬棒掏出，但是耐熱性定位器在爐底上滑動，底面4不致與爐底接觸不會產生摩擦，但是定位器的基材部分會因其氧化而汙損，並且與上部的玻璃試樣反應。另外，從爐中取出放置在空氣中3分鐘時的表面溫度冷卻制40-60℃。
將上述支撐構件的露出部分的表面加以平滑研磨，並且在埋入基材部份中的部分塗敷耐熱性黏著劑Fineflexcoat，嵌埋於上述孔內，入口部的殘餘空間內填充Fineflexcoat製作耐熱性定位器。
對於所獲得的耐熱性定位器與實施例1同樣地施以高溫加熱爐的耐熱試驗，與實施例1相同並未發現爐底板的滑動性，支撐構件安裝的振顫及周邊破損等的異常。
所獲得的耐熱性定位器較實施例1更具有穩定性和重量感，但是與實施例1同樣地將硼矽酸鹽玻璃試樣100g載置於上面2使用於加熱處理時，可獲得與實施例1相同的結果。但是，加熱後從爐中取出耐熱定位器，放置在空氣中3分鐘的表面溫度，其冷卻較實施例1緩慢，為90℃。另外，製造時與實施例1比較黏著計Fineflexcoat與基材間的融合有若干不良，會有支撐支架插入用的孔加工困難等問題，但是與實施例1相同皆未發現所獲得定位器的使用試驗產生鬆弛、振顫及周邊的龜裂等現象。
所獲得的耐熱性定位器較實施例3更具有穩定性和重量感，但是與實施例1同樣地將硼矽酸鹽玻璃試樣100g載置於上面2使用在加熱處理時，可獲得與實施例1相同的結果。另外，加熱後從爐中取出耐熱定位器，放置在空氣中3分鐘的表面溫度，其冷卻較實施例1緩慢，為100℃。另外，製造時與實施例1比較黏著計Fineflexcoat與基材間的融合有若干不良，會有支撐支架插入用的孔加工困難等的問題，但是與實施例1相同皆未發現所獲得定位器的使用試驗產生鬆弛、振顫及周邊的龜裂等現象。發明效果以上，根據已說明的本發明，所獲得的耐熱性定位器具有耐熱性，且輕量熱容量小而具有熱處理時的高能量效率，優異的耐磨損性。並且，成形步驟中一體成形的支撐構件可省略安裝支撐構件的步驟。因此，本發明具有大的工業價值。
權利要求
1.一種耐熱性定位器，為其基材部分主要以多孔性陶瓷所構成的耐熱性定位器，其特徵為該基材部分的至少在使用時與其他物品頂接的位置上安裝有耐熱性且耐磨損性材料所構成的支撐構件。
2.如權利要求1記載的耐熱性定位器，其中基材部分的密度為1.7g/cm3以下。
3.如權利要求1或2記載的耐熱性定位器，其中構成支撐構件的材料的莫式硬度在4以上。
4.如權利要求1至3中任一項記載的耐熱性定位器，其中構成支撐構件的材料的熱膨脹係數為10*10-6/℃以下。
5.如權利要求1至4中任一項記載的耐熱性定位器，其中支撐構件為氧化鋁製或富鋁紅柱石制。
6.如權利要求1至5中任一項記載的耐熱性定位器，其中支撐構件表面與基材部分表面接觸的邊界間隔有耐熱性融熔黏合成分。
7.一種耐熱性定位器的製造方法，該定位器為其基材部分主要是以多孔性陶瓷所構成的耐熱性定位器，該基材部分的至少在使用時與其他物品頂接的位置上安裝有耐熱性且耐磨損性材料所構成的支撐構件，其特徵為，該基材部分由包含下述步驟的製造工序形成，以作為主成分的耐熱性無機質材料及無機質黏結劑作為必須成分加入水中調製混合物的混合步驟；將所獲得的混合物成形為預定形狀的成形步驟；使成形物乾燥硬化的乾燥步驟；及，燒成硬化後的成型體的燒成步驟。
8.如權利要求7記載的耐熱性定位器的製造方法，其中在該基材部分的至少在使用時與其他物品頂接的部位上，在僅稍微自該基材部分的表面突出露出的位置將支撐構件配置在成形模內之後成形，於成形步驟中安裝支撐構件。
9.如權利要求7記載的耐熱性定位器的製造方法，其中在該基材部分的至少在使用時與其他物品頂接的部位上，穿設能僅稍微自基材部分的表面突出露出地在燒成後的成形體的對應位置配置支撐構件的孔，並於該孔內嵌裝支撐構件。
10.如權利要求8或9記載的耐熱性定位器的製造方法，其中在將支撐構件配置或嵌裝於模具內時，在支撐構件與基材部分之間間隔耐熱性黏合成分。
全文摘要
本發明的課題為提供具有高溫耐熱性，輕量可提高能量效率，優異的耐磨損性，且其製造步驟具有簡略性佳的耐熱性定位器。其解決手段是在其基材部分主要以多孔性陶瓷所構成的耐熱性定位器中，該基材部分的至少在使用時與其他物品頂接的位置上安裝有耐熱性且耐磨損性材料所構成的支撐構件。
文檔編號F27D3/12GK1448686SQ0310790
公開日2003年10月15日 申請日期2003年3月24日 優先權日2002年3月29日
發明者鳥居信宏, 福田啟一, 友末信也, 尾上崇史 申請人:霓佳斯股份有限公司