JPH0571417A - Manufacture of exhaust part made of ceramic - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To prevent breakage at the time of insertion by reducing a thermal expansion difference between a base material and a reinforcing layer as possible, and setting strength of the reinforcing layer remarkably larger than that of the base material in a manufacturing method of exhaust parts made of ceramic which is insertion-molded with a molten metal. CONSTITUTION:The following three processes are carried out in order: a first baking process where an approximately cylindrical molding made of aluminum titanate powder is baked within a temperature range from 1450 deg.C to 1550 deg.C, thus obtaining a baked body; a covering process where the outer surface of the baked body is covered with powder mixture of aluminum oxide powder and titanium oxide powder which are mixed at equal mol%, thereby obtaining a covered baked body; and a second baking process where the covered baked body is baked within a temperature range from 1350 deg.C to 1450 deg.C in the atmosphere.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの排気ポート
ライナ、排気マニホールドライナなどに利用されるセラ
ミックス製排気部品の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a ceramic exhaust part used for an engine exhaust port liner, an exhaust manifold liner and the like.

【０００２】[0002]

【従来の技術】排気ガスによる環境汚染を防止するため
に、自動車の排気系には排気ガス浄化用触媒が配置され
ている。この排気ガス浄化用触媒には主として白金など
の酸化触媒が用いられ、排気ガス中の炭化水素、一酸化
炭素などを酸化分解して浄化している。2. Description of the Related Art In order to prevent environmental pollution due to exhaust gas, an exhaust gas purifying catalyst is arranged in the exhaust system of an automobile. As the exhaust gas purifying catalyst, an oxidation catalyst such as platinum is mainly used, and hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gas are oxidatively decomposed and purified.

【０００３】この酸化反応速度は温度に大きく依存し、
反応時の温度が高いほど効率良く浄化することができ
る。そこで例えば特公平３−１９３８４号公報などにみ
られるように、自動車エンジンの排気ポートの内面にセ
ラミックスポートライナを配置し、その断熱作用により
排気ポートにおける排気ガスの温度低下を防止すること
が提案されている。The rate of this oxidation reaction greatly depends on the temperature,
The higher the temperature during the reaction, the more efficient the purification can be. Therefore, as disclosed in, for example, Japanese Examined Patent Publication (Kokoku) No. 3-19384, it has been proposed to dispose a ceramics port liner on the inner surface of the exhaust port of an automobile engine and prevent the temperature of exhaust gas from decreasing in the exhaust port by its heat insulating function. ing.

【０００４】ところでセラミックスポートライナを排気
ポートの内面に配置するには、鋳型内に焼成されたセラ
ミックスポートライナを配置し、その周囲に金属溶湯を
鋳ぐるむ鋳ぐるみ成形で行うのが便利である。しかし金
属とセラミックスとは熱膨張率が大きく異なるため、金
属溶湯の固化時の収縮によりセラミックスポートライナ
に大きな圧縮応力が加わり、強度的に弱い部分があると
鋳ぐるみ時の熱衝撃及び熱応力に耐え切れず、その部分
で破損する場合があった。By the way, in order to arrange the ceramics port liner on the inner surface of the exhaust port, it is convenient to arrange the fired ceramics port liner in the mold and form the molten metal around the periphery thereof by the cast-in-mold forming. .. However, since the coefficient of thermal expansion differs greatly between metal and ceramics, a large compressive stress is applied to the ceramics port liner due to the contraction of the molten metal when it solidifies, and if there are weak parts in strength, thermal shock and thermal stress during casting can be reduced. It couldn't stand and could be damaged at that part.

【０００５】そこで例えば特開昭６０−１６９６５５号
公報には、チタン酸アルミニウムからなる中空管状セラ
ミック体の外表面にジルコニアからなる補強層を被覆す
る技術が開示されている。しかしこの方法により形成し
たセラミックス部品をアルミニウムなどの金属と鋳ぐる
み成形すると、両セラミックスの熱膨張差により亀裂が
生じるという不具合があった。Therefore, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-169655 discloses a technique of coating the outer surface of a hollow tubular ceramic body made of aluminum titanate with a reinforcing layer made of zirconia. However, when the ceramic component formed by this method is cast-in-molded with a metal such as aluminum, there is a problem that cracks are generated due to a difference in thermal expansion between the two ceramics.

【０００６】この原因は、基材と補強層との材質が異な
ることに起因することが見出され、特公平３−１９３８
４号公報にはポートライナ基材と補強層とを同一材質と
する技術が開示されている。It has been found that this is due to the fact that the materials of the base material and the reinforcing layer are different from each other.
Japanese Patent No. 4 discloses a technique in which the port liner base material and the reinforcing layer are made of the same material.

【０００７】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながらポートラ
イナ基材と補強層とを同一材質とする方法では、結果的
に一つの材質から全体を厚肉に形成したものと同じこと
となり、基材と補強層とは同一強度となって強度の大き
な補強層で保護するという思想とは異なる。本発明はこ
のような事情に鑑みてなされたものであり、基材と補強
層との熱膨張差を極力低減するとともに、補強層の強度
を基材より格段に大きなものとすることを目的とする。However, in the method in which the port liner base material and the reinforcing layer are made of the same material, the result is the same as the case where the whole material is formed thick from one material, and the base material and the reinforcing layer are reinforced. This is different from the idea that a layer has the same strength and is protected by a reinforcing layer having high strength. The present invention has been made in view of such circumstances, and aims to reduce the difference in thermal expansion between the base material and the reinforcing layer as much as possible, and to make the strength of the reinforcing layer significantly larger than that of the base material. To do.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らはチタン酸ア
ルミニウムの焼成条件と焼成体の強度との関係について
詳細に検討した結果、焼成温度によって曲げ強度が異な
る現象を見出した。さらに、原料粉末の種類によってそ
の現象の程度が大きく異なることを見出して本発明を完
成したものである。Means for Solving the Problems As a result of detailed examination of the relationship between the firing conditions for aluminum titanate and the strength of the fired body, the inventors have found that the bending strength varies depending on the firing temperature. Furthermore, they have completed the present invention by finding that the degree of the phenomenon greatly varies depending on the type of raw material powder.

【０００９】すなわち上記課題を解決する本発明のセラ
ミックス製排気部品の製造方法は、金属溶湯とともに鋳
ぐるみ成形されて用いられるセラミックス製排気部品の
製造方法において、チタン酸アルミニウム粉末から形成
された略筒状の成形体を１４５０〜１５５０℃の温度範
囲で焼成して焼成体とする第１焼成工程と、焼成体の外
表面にそれぞれ等モル％となるように混合された酸化ア
ルミニウム粉末と酸化チタン粉末の混合粉末を被覆して
被覆焼成体とする被覆工程と、被覆焼成体を大気中にて
１３５０〜１４５０℃の温度範囲で焼成する第２焼成工
程と、を順次行うことを特徴とする。That is, a method of manufacturing a ceramic exhaust part of the present invention which solves the above-mentioned problems is a method of manufacturing a ceramic exhaust part which is used by being cast-in-mold with a molten metal, and is a substantially cylindrical tube formed from aluminum titanate powder. First firing step of firing a compact shaped body in the temperature range of 1450 to 1550 ° C. to obtain a fired body, and aluminum oxide powder and titanium oxide powder mixed on the outer surface of the fired body so as to be equimolar% respectively. The coating step of coating the mixed powder of 1 to obtain a coated fired body and the second firing step of firing the coated fired body in the temperature range of 1350 to 1450 ° C. in the atmosphere are sequentially performed.

【００１０】本発明の製造方法に用いられる成形体は、
チタン酸アルミニウム（Ａｌ₂ ＴｉＯ₅ ）粉末から形成
された従来と同様のものである。その形状はポートライ
ナなどとして用い得る、例えば二股に分岐した略筒状で
あり、成形にはスリップキャスティング法、射出成形法
など周知の成形方法が利用される。第１焼成工程では、
上記成形体が１４５０〜１５５０℃の温度範囲で焼成さ
れ、焼成体とされる。この第１焼成工程は排気部品とし
て必要な特性を得るのに必要な工程であり、従来の焼成
工程と同様に行われる。焼成温度が１４５０℃より低い
と耐熱衝撃性などに劣り、１５５０℃より高くなると焼
成効果が飽和しエネルギー面で不具合が生じる。The molded body used in the manufacturing method of the present invention is
It is the same as a conventional one formed from aluminum titanate (Al ₂ TiO ₅ ) powder. Its shape is, for example, a bifurcated substantially tubular shape that can be used as a port liner, and a known molding method such as a slip casting method or an injection molding method is used for molding. In the first firing step,
The molded body is fired in the temperature range of 1450 to 1550 ° C to obtain a fired body. This first firing step is a step required to obtain the characteristics required for the exhaust component, and is performed in the same manner as the conventional firing step. If the firing temperature is lower than 1450 ° C, the thermal shock resistance will be poor, and if it is higher than 1550 ° C, the firing effect will be saturated and energy problems will occur.

【００１１】被覆工程は、上記焼成体表面に被覆層を形
成する工程であり、等モル％（１：１）となるように混
合された酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粉末と酸化チ
タン（ＴｉＯ₂ ）粉末の混合粉末が被覆される。この被
覆は補強すべき部分のみで十分であり、混合粉末を含む
スラリーを焼成体表面に付着させるスラリーコート法、
プラズマアークや酸素−アセチレン炎などの熱によって
溶射する方法、などで被覆することができる。The coating step is a step of forming a coating layer on the surface of the fired body, and aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) powder and titanium oxide (TiO ₂ ) mixed so as to be equimolar% (1: 1). ₂ ) A mixture of powders is coated. This coating is sufficient only for the portion to be reinforced, the slurry coating method of attaching the slurry containing the mixed powder to the surface of the fired body,
The coating can be performed by a method of thermal spraying with heat such as plasma arc or oxygen-acetylene flame.

【００１２】第２焼成工程では、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末とＴｉ
Ｏ₂ 粉末からなる被覆層をもつ上記被覆焼成体が、大気
中にて１３５０〜１４５０℃の温度範囲で焼成される。
焼成時間は被覆層の面積及び厚さにより異なるが、通常
１〜１０時間である。焼成温度が１３５０℃より低くな
ると基材の焼成体との結合強度が低下し、１４５０℃を
越えると鋳ぐるみ成形時の破損が生じ易くなる。In the second firing step, Al ₂ O ₃ powder and Ti
The above coated fired body having a coating layer made of O ₂ powder is fired in the air at a temperature range of 1350 to 1450 ° C.
The firing time varies depending on the area and thickness of the coating layer, but is usually 1 to 10 hours. If the firing temperature is lower than 1350 ° C., the bonding strength of the base material with the fired body will be reduced, and if it exceeds 1450 ° C., breakage during cast-in-mold molding is likely to occur.

【００１３】[0013]

【発明の作用及び効果】鋳ぐるみ成形時の熱応力は、焼
成体に対して曲げ応力として作用するので、曲げ強度を
向上させることにより鋳ぐるみ成形時の破損を防止する
ことができる。ところで本発明者らの研究によれば、図
１のグラフにも示すように、Ａｌ₂ Ｏ ₃ 粉末とＴｉＯ₂
粉末の混合粉末から形成された成形品を焼成すると、焼
成温度が上昇するにつれて４点曲げ強度が低下すること
が明らかとなった。したがって低い温度で焼成するほど
高い曲げ強度が得られるが、反面引っ張り強度や衝撃強
度が低下する。そしてＡｌ₂ ＴｉＯ₅ 焼成体からなる基
材の補強層として必要な各種性能を満足し、かつ極力大
きな曲げ強度を有するようにするには、１３５０〜１４
５０℃の範囲で焼成するのが最適であることが明らかと
なった。[Operation and effect of the invention] The thermal stress at the time of cast-in
Since it acts as a bending stress on the adult, the bending strength is
Prevents damage during cast-in-mold forming by improving
be able to. By the way, according to the research by the present inventors,
As shown in the graph of 1,₂O ₃Powder and TiO₂
When a molded product made from a mixture of powders is fired,
4-point bending strength decreases as the growth temperature increases
Became clear. Therefore, the lower the temperature,
High bending strength can be obtained, but tensile strength and impact strength
The degree decreases. And Al₂TiO_FiveBase consisting of fired body
Satisfies various performances required as a reinforcing layer for materials, and is as large as possible
1350 to 14 to have good bending strength
It is clear that it is best to bake in the range of 50 ° C.
became.

【００１４】なお、Ａｌ₂ ＴｉＯ₅ 成形品も焼成温度が
上昇するにつれて曲げ強度が低下する傾向があるが、そ
の強度の差はＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末とＴｉＯ₂ 粉末からなる成
形品に比べて小さく、Ａｌ₂ ＴｉＯ₅ 粉末から補強層を
形成して低温で焼成したとしても、実用上の効果は小さ
い。またＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末とＴｉＯ₂ 粉末の混合粉末から
なる被覆層を焼成した場合、得られる補強層中には反応
によりかなりの量のＡｌ₂ ＴｉＯ₅ が含まれ、曲げ強度
が大きいこと以外は基材のＡｌ₂ ＴｉＯ₅ 焼成体と極め
て類似した組成となる。したがって補強層の熱膨張率は
基材と近似し、鋳ぐるみ成形時の熱膨張差に起因する応
力差が小さくなるため、鋳ぐるみ成形時の破損が一層防
止される。Although the bending strength of the Al ₂ TiO ₅ molded product also tends to decrease as the firing temperature increases, the difference in strength is smaller than that of the molded product composed of Al ₂ O ₃ powder and TiO ₂ powder. Even if a reinforcing layer is formed from Al ₂ TiO ₅ powder and fired at a low temperature, the practical effect is small. When a coating layer made of a mixed powder of Al ₂ O ₃ powder and TiO ₂ powder is fired, the reinforcing layer obtained contains a considerable amount of Al ₂ TiO ₅ due to the reaction, and has a large bending strength. The composition is very similar to the Al ₂ TiO ₅ fired body of the base material. Therefore, the coefficient of thermal expansion of the reinforcing layer is similar to that of the base material, and the difference in stress due to the difference in thermal expansion during cast-in-mold molding is reduced, so that damage during cast-in-mold molding is further prevented.

【００１５】したがって本発明の製造方法により得られ
たセラミックス製排気部品によれば、基材と補強層との
一体性が高く、かつ補強層の曲げ強度に優れているた
め、鋳ぐるみ時の破損が確実に防止され、自動車エンジ
ンの排気ポートライナなどとして最適である。Therefore, according to the ceramic exhaust component obtained by the manufacturing method of the present invention, the base material and the reinforcing layer are highly integrated and the reinforcing layer is excellent in bending strength. Is surely prevented, making it ideal as an exhaust port liner for automobile engines.

【００１６】[0016]

【実施例】以下、試験例及び実施例により、本発明を一
層具体的に説明する。 （試験例）Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末とＴｉＯ₂ 粉末の混合粉末か
ら、４×３×４０ｍｍの形状に成形し、大気中１３５０
〜１５５０℃の各温度で４時間焼成してそれぞれのテス
トピースを形成した。またＡｌ₂ ＴｉＯ₅ 合成粉末から
も同様にテストピースを形成した。EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to test examples and examples. (Test Example) A mixed powder of Al ₂ O ₃ powder and TiO ₂ powder was molded into a shape of 4 × 3 × 40 mm, and 1350 in air.
Each test piece was formed by firing at each temperature of ˜1550 ° C. for 4 hours. A test piece was similarly formed from an Al ₂ TiO ₅ synthetic powder.

【００１７】得られたそれぞれのテストピースについ
て、４点曲げ強度を測定し、結果を図１に示す。図１よ
りＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末とＴｉＯ₂ 粉末の混合粉末では、焼成
温度が上昇するにつれて急激に曲げ強度が低下し、１３
５０〜１４５０℃の範囲であれば３０〜７５ＭＰａと補
強層として好ましい範囲にあることがわかる。一方、Ａ
ｌ₂ ＴｉＯ₅ 合成粉末でも焼成温度が上昇するにつれて
曲げ強度が低下しているが、その程度はＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末
とＴｉＯ₂ 粉末の混合粉末に比べてかなり緩やかであ
る。また１３５０〜１４５０℃の温度範囲では、曲げ強
度はＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末とＴｉＯ ₂ 粉末の混合粉末に比べて
低い値を示していることも判る。For each of the obtained test pieces,
Then, the 4-point bending strength was measured, and the results are shown in FIG. Figure 1
Ri Al₂O₃Powder and TiO₂Powder mixed powder, firing
Bending strength sharply decreases as the temperature rises.
If it is in the range of 50 to 1450 ° C, it is supplemented with 30 to 75 MPa.
It can be seen that it is in the preferable range for the strong layer. On the other hand, A
l₂TiO_FiveEven with synthetic powders, as the firing temperature increases
Bending strength is reduced, but the extent is Al₂O₃Powder
And TiO₂Compared to mixed powder of powder
It In the temperature range of 1350 to 1450 ° C, bending strength
Degree is Al₂O₃Powder and TiO ₂Compared to powder mixed powder
It can also be seen that it shows a low value.

【００１８】この結果より、補強層を形成するにはＡｌ
₂ Ｏ₃ 粉末とＴｉＯ₂ 粉末の混合粉末を用いるのが有利
であり、１３５０〜１４５０℃の温度範囲で焼成すると
よいことが明らかである。 （実施例）Ａｌ₂ ＴｉＯ₅ 粉末を原料とし、スリップキ
ャスティング法により二股筒状のポートライナ形状に成
形して成形体を形成した。 ＜第１焼成工程＞この成形体を乾燥後、１５５０℃で４
時間大気中で加熱して焼成体を得た。 ＜被覆工程＞上記焼成体を所定形状に機械加工した後、
図２及び図３に斜線で示す部分に、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末とＴ
ｉＯ₂ の混合粉末をプラズマ溶射により２ｍｍの厚さに
塗布して被覆層２を形成した。ここでＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末と
ＴｉＯ₂ 粉末とは、ｍｏｌ％で１対１の比率に混合され
ている。 ＜第２焼成工程＞上記被覆層２をもつポートライナ１
を、１３５０℃で４時間常圧の大気中で加熱して被覆層
から補強層を形成した。この補強層は焼成により焼成体
と一体的に焼結されている。 ＜鋳ぐるみ＞得られたポートライナ１を鋳型内に配置
し、ポートライナ１周囲にアルミニウム溶湯を鋳込み鋳
ぐるみ成形を行った。得られた鋳ぐるみ成形体１２個に
ついて、割れ又は欠けの損傷の有無を目視で調査し、結
果を表１に示す。 ＜比較例＞また比較例として、第１焼成工程で形成され
た焼成体をそのまま上記と同様に鋳ぐるみ成形し、同様
に１８個の鋳ぐるみ成形体について損傷の有無を調査し
て結果を表１に示す。From these results, it is necessary to use Al to form the reinforcing layer.
_It is advantageous to use a mixed powder of ₂ O ₃ powder and TiO ₂ powder, and it is clear that firing in the temperature range from 1350 to 1450 ° C. is advantageous. Example An Al ₂ TiO ₅ powder was used as a raw material and was molded into a bifurcated cylindrical port liner shape by a slip casting method to form a molded body. <First firing step> After drying the molded body, the molded body is dried at 1550 ° C. for 4 hours.
After heating in the air for a period of time, a fired body was obtained. <Coating Step> After machining the fired body into a predetermined shape,
2 and 3, shaded areas in FIG. 2 and FIG. 3 show Al ₂ O ₃ powder and T
A coating layer 2 was formed by applying a mixed powder of iO ₂ to a thickness of 2 mm by plasma spraying. Here, the Al ₂ O ₃ powder and the TiO ₂ powder are mixed in a molar ratio of 1: 1. <Second Firing Step> Port liner 1 having the coating layer 2
Was heated at 1350 ° C. for 4 hours in atmospheric air to form a reinforcing layer from the coating layer. This reinforcing layer is sintered integrally with the fired body by firing. <Casting Glue> The obtained port liner 1 was placed in a mold, and a molten aluminum was cast around the port liner 1 to form a casting gullet. The 12 cast-in-mold bodies thus obtained were visually inspected for damages such as cracks or chips, and the results are shown in Table 1. <Comparative Example> As a comparative example, the fired body formed in the first firing step was directly cast-molded in the same manner as above, and 18 pieces of cast-gurged molded bodies were similarly examined for damage, and the results are shown. Shown in 1.

【００１９】[0019]

【表１】 表１より、実施例で得られた鋳ぐるみ成形体では、比較
例に比べてセラミックスポートライナの損傷の発生が極
めて少ないことが明らかである。[Table 1] From Table 1, it is apparent that the cast-gurged molded bodies obtained in the examples have extremely less damage to the ceramics port liner as compared with the comparative examples.

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

【図１】焼成温度と４点曲げ強度の関係を示すグラフで
ある。FIG. 1 is a graph showing the relationship between firing temperature and 4-point bending strength.

【図２】実施例で形成したポートライナの斜視図であ
る。FIG. 2 is a perspective view of a port liner formed in an example.

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１：ポートライナ ２：被覆層 1: Port liner 2: Coating layer

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】金属溶湯とともに鋳ぐるみ成形されて用い
られるセラミックス製排気部品の製造方法において、 チタン酸アルミニウム粉末から形成された略筒状の成形
体を１４５０〜１５５０℃の温度範囲で焼成して焼成体
とする第１焼成工程と、 該焼成体の外表面にそれぞれ等モル％となるように混合
された酸化アルミニウム粉末と酸化チタン粉末の混合粉
末を被覆して被覆焼成体とする被覆工程と、 該被覆焼成体を大気中にて１３５０〜１４５０℃の温度
範囲で焼成する第２焼成工程と、を順次行うことを特徴
とするセラミックス製排気部品の製造方法。1. A method of manufacturing a ceramic exhaust part, which is cast-molded together with a molten metal and used, wherein a substantially cylindrical molded body made of aluminum titanate powder is fired in a temperature range of 1450 to 1550 ° C. A first firing step of forming a fired body, and a coating step of coating the outer surface of the fired body with a mixed powder of aluminum oxide powder and titanium oxide powder mixed so as to be equimolar% to obtain a coated fired body And a second firing step in which the coated fired body is fired in the temperature range of 1350 to 1450 ° C. in the air, and the second firing step is sequentially performed.