JPH06183831A

JPH06183831A - 高強度チタン酸アルミニウム材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06183831A
Application number: JP43A
Authority: JP
Inventors: Shogo Suzuki; 省伍鈴木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1994-07-05

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、強度を安定させ、寸法精度を向上
させた高強度チタン酸アルミニウム材料及びその製造方
法を提供する。【構成】本発明は、アナターゼタイプの酸化チタンを
加熱してルチルタイプの酸化チタンに変化させ、該ルチ
ルタイプの酸化チタンを粉砕してルチル原料粉を作る。
ルチル原料粉と酸化ナトリウムとして０．１ｗｔ％以下
を含有している酸化アルミニウムの原料粉とを混合し、
添加剤としてタルクとろう石を添加してスラリーを作
る。次いで、スラリーに解膠剤を添加混合して泥漿を作
って成形型に流し込んで成形体を作製する。該成形体の
乾燥後に焼成して焼成体を作製するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、酸化チタンとしてル
チルを使用した高強度チタン酸アルミニウム材料及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジン等のエンジン
に設けられた燃焼室、排気ポート等を作製するのに用い
られる材料は、耐熱合金が使用されているが、燃焼室、
排気ポート等は高温領域となり、その領域での使用のた
め、その寿命に限界があり、燃焼室、排気ポート等の材
料として課題を有しているのが現状である。近年、これ
らのエンジン部品の作製に耐熱性の優れるセラミックス
で作製することが試みられている。そして、このような
エンジン部品を作製するセラミックスとしては、窒化ケ
イ素Ｓｉ₃Ｎ₄が大半である。窒化ケイ素は、強度が高
く、熱膨張係数が低いため、燃焼室を作製するのには適
しているが、熱伝導率が２５Ｗ／ｍＫ程度で比較的に大
きいということから遮熱型燃焼室としては問題がある。

【０００３】従来、チタン酸アルミニウムは、熱伝導率
が２Ｗ／ｍＫと低く、熱膨張係数が１×１０^{- 6}／℃程
度と低い特性を有していることから、これらの特性を活
かしてエンジン部品等では高温部で且つ熱衝撃の大きい
部分に使用されている。しかしながら、チタン酸アルミ
ニウムの機械的強度は、３０ＭＰａ程度であり、その強
度はエンジン部品に利用された場合に不十分なものであ
った。そこで、チタン酸アルミニウムの強度を上げるた
め、種々の添加物を加え、その熱伝導率及び熱膨張係数
を抑えつつ材料を製造し、例えば、エンジンの排気ポー
ト、燃焼室等に使用されてきた。その理由は、遮熱型エ
ンジン等を作製する場合に、チタン酸アルミニウム材料
は熱膨張係数及び熱伝導率が小さいためである。このよ
うな添加剤を加えるものとして、特開昭５５−６２８４
０号公報或いは特開昭５２−２３１１３号公報に開示さ
れたものがある。

【０００４】例えば、特開昭５５−６２８４０号公報に
開示された低熱膨張セラミック材料は、ジルコンとアル
カリ土金属酸化物の合計が２〜２０ｗｔ％、残部がアル
ミニウムチタネイトなる組成で、上記ジルコンとアルカ
リ土金属酸化物の割合は重量比でジルコン１００に対し
てアルカリ土金属酸化物が５〜５０の割合である。

【０００５】また、特開昭５２−２３１１３号公報に開
示された低熱膨張セラミックスは、チタン酸アルミニウ
ムに対してケイ素、ジルコニウムの少なくとも一種をＳ
ｉＯ₂，ＺｒＯ₂に換算して０．０５〜１０．０ｗｔ％
含有しているものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
公報に開示されている低熱膨張セラミックスは、それら
の強度が５０ＭＰａ以下であり、その強度ではエンジン
部品等の機械的応力が働く部分では不十分である。ま
た、エンジンの排気ポート等の部品では、複雑な形状を
有しており、泥漿鋳込み法で成形されているため、寸法
精度は±０．５％程度であり、精度向上が必要であっ
た。これらの原因の１つに、スラリーのチクソトロピー
性（即ち、懸濁液を攪拌することで流動性が向上し、静
置すると流動性を失う現象）による不安定性とスラリー
の密度が低いため、焼成時の寸法収縮が大きく、寸法精
度が低下する等の問題があった。

【０００７】また、チタン酸アルミニウムＡｌ₂ＴｉＯ
₅については、その焼成体は熱膨張係数が１×１０^{- 6}
／℃前後であり、低熱膨張性であり、融点は１８６０℃
と高く、高温耐熱セラミックス材料として期待されてい
るが、８００℃〜１３００℃ではルチルＴｉＯ₂とコラ
ンダムＡｌ₂Ｏ₃とに分解するという分解性や、熱膨張
率の異方性が大きく、焼成体を作製した場合に、粒径が
２〜３μｍ以上になると、冷却時にマイクロクラックが
発生し、機械的強度が低下するという現象を有している
ため、広範囲の分野には用いられていないのが現状であ
る。

【０００８】そこで、この発明の目的は、チタン酸アル
ミニウムの原料として、酸化チタンと酸化アルミニウム
を用いる際に、アナターゼタイプの酸化チタンを熱処理
してルチルに添加させたルチルタイプの酸化チタンを用
い、しかも、酸化アルミニウムに含有されている酸化ナ
トリウム即ちソーダの分量を所定値以下にした酸化アル
ミニウムを用いてチタン酸アルミニウムを製造し、強度
を向上させ且つ高温安定性を向上させて寸法精度を向上
させた高強度チタン酸アルミニウム材料及びその製造方
法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、ルチルタイプの酸化チタンと、酸化ナトリ
ウムとして０．１ｗｔ％以下を含有している酸化アルミ
ニウムとから合成されていることを特徴とする高強度チ
タン酸アルミニウム材料に関する。

【００１０】また、この高強度チタン酸アルミニウム材
料は、高温安定性を向上させるためにタルクを添加して
合成されているものである。

【００１１】また、この高強度チタン酸アルミニウム材
料は、強度を増強させるためにろう石を添加して合成さ
れているものである。

【００１２】また、この高強度チタン酸アルミニウム材
料は、タルクとろう石とを添加して合成されているもの
である。

【００１３】或いは、この発明は、アナターゼタイプの
酸化チタンを加熱してルチルタイプの酸化チタンに変化
させ、該ルチルタイプの酸化チタンを粉砕してルチル原
料粉を作る工程、該ルチル原料粉と酸化ナトリウムとし
て０．１ｗｔ％以下を含有している酸化アルミニウムの
原料粉とを混合し、添加剤としてタルクとろう石を添加
してスラリーを作る工程、次いで該スラリーに解膠剤を
添加混合して泥漿を作る工程、該泥漿を成形型に流し込
んで成形体を作製する工程、及び該成形体の乾燥後に焼
成して焼成体を作製する工程、から成ることを特徴とす
る高強度チタン酸アルミニウム材料の製造方法に関す
る。

【００１４】

【作用】この発明による高強度チタン酸アルミニウム材
料及びその製造方法は、上記のように構成されており、
次のように作用する。即ち、この高強度チタン酸アルミ
ニウム材料は、ルチルと、酸化ナトリウムとして０．１
ｗｔ％以下を含有している酸化アルミニウムとから合成
されているので、強度を高強度に安定させ、寸法精度の
高い材料を得ることができる。

【００１５】また、この高強度チタン酸アルミニウム材
料は、チタン酸アルミニウムを合成する際に、タルク
〔Ｍｇ₃Ｓｉ₄Ｏ_{1 0}（ＯＨ）₂〕を添加して高温安定
性を一層向上させたものである。また、この高強度チタ
ン酸アルミニウム材料は、チタン酸アルミニウムを合成
する際に、焼成収縮の小さいろう石を添加して強度を一
層向上させたものである。

【００１６】この高強度チタン酸アルミニウム材料の製
造方法は、酸化チタンをアナターゼからルチルに転化し
て酸化チタンの密度を上げてスラリー密度を上げ、それ
によって成形体密度を上げて焼成収縮を１２％から７％
へ上げて寸法精度を向上させると共に、強度を向上させ
たものである。

【００１７】

【実施例】以下、この発明による高強度チタン酸アルミ
ニウム材料及びその製造方法の実施例を説明する。この
高強度チタン酸アルミニウム材料及びその製造方法は、
従来のチタン酸アルミニウムの寸法精度及び強度につい
ての欠点を解決するものであり、ルチルタイプの酸化チ
タンＴｉＯ₂と、酸化ナトリウムＮａ₂Ｏとして０．１
ｗｔ％以下を含有している酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃
とから合成されているものである。更に、この高強度チ
タン酸アルミニウム材料については、高温安定性を向上
させるためにはタルク〔Ｍｇ₃Ｓｉ₄Ｏ_{1 0}（Ｏ
Ｈ）₂〕を添加して合成し、また、強度を増強させるた
めにはろう石を添加して合成し、更に、高温安定性を向
上させ且つ強度を増強させるためには、タルクとろう石
とを添加して合成するものである。

【００１８】酸化チタンＴｉＯ₂には、ルチル（キンコ
ウ石）、アナターゼ（エイスイ石）、ブルッカイト（イ
タチタン石）の構造が異なる３種がある。そして、ルチ
ルは、比重が４．２３（即ち、密度４．２３ｇ／ｃ
ｍ³）であり、硬度が６〜６．５である。これに対し
て、アナターゼは、ルチルより比重と硬度が低く、比重
が３．８２〜３．９５（即ち、密度３．８２〜３．９５
ｇ／ｃｍ³）であり、硬度が５．５である。なお、ブル
ッカイトは、比重が３．８７〜４．０８（即ち、密度
３．８７〜４．０８ｇ／ｃｍ³）であり、硬度が５．５
〜６である。

【００１９】また、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃は、ア
ルミナと呼ばれ、一般的にはポーキサイトを原料として
製造され、その際、カセイソーダで溶解してＴｉＯ₂、
Ｆｅ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂等の不純物を分離し、次いで溶液
から水酸化アルミニウムを析出させ、これを焼成してア
ルミナを得ている。この方法で得られたアルミナは、コ
ランダムが主構成物であるが、不純物として、０．３ｗ
ｔ％のＮａ₂Ｏ、０．０１ｗｔ％のＳｉＯ₂、０．０１
ｗｔ％のＦｅ₂Ｏ₃を含んでいるのが一般的である。

【００２０】次に、この発明による高強度チタン酸アル
ミニウム材料の製造方法について説明する。この高強度
チタン酸アルミニウム材料の製造方法は、主として、ア
ナターゼタイプの酸化チタンを加熱してルチルタイプの
酸化チタンに変化させ、該ルチルタイプの酸化チタンを
粉砕したルチル原料粉、酸化ナトリウムの含有量が少な
い酸化アルミニウムの原料粉及び添加剤を混合してスラ
リーを作り、該スラリーに解膠剤を添加混合して泥漿を
作り、該泥漿を成形型に流し込んで作製した成形体を乾
燥して焼成することによって高強度で且つ寸法精度の向
上させたチタン酸アルミニウム材料を製造するものであ
る。

【００２１】次に、図１を参照して、この高強度チタン
酸アルミニウム材料の製造方法を説明する。まず、準安
定相であるアナターゼタイプの酸化チタンを準備し（ス
テップ１０）、そのアナターゼを炉内で１２００℃で１
時間加熱し、アナターゼをルチルタイプの酸化チタンに
変化させる（ステップ１１）。炉冷した後、炉から取り
出したルチルをボールミルにて粉砕し、平均粒径１μｍ
のルチル原料粉を作くる（ステップ１２）。一方、酸化
ナトリウムとして０．１ｗｔ％以下を含有している酸化
アルミニウム即ちアルミナを準備し、該アルミナを同様
に粉砕して平均粒径１μｍのアルミナ原料粉を作る。そ
こで、ルチル原料粉とアルミナ原料粉とを重量比で１：
１の配合で混合して混合物を作った。更に、この混合物
に、高温安定性を向上させ且つ強度を増強させるため
に、添加剤としてタルクとろう石とを各々５ｗｔ％添加
して湿式混合し、スラリーを作った（ステップ１３）。

【００２２】次いで、上記スラリーに解膠剤を０．３ｗ
ｔ％を添加してボールミル中にてこれらを分散させ混合
するため、分散・混合を１６時間行い、泥漿を作った
（ステップ１４）。このようにして作った泥漿を石膏型
或いは多孔質型の成形型に流し込んで成形体を作製した
（ステップ１５）。この成形体を乾燥させた後（ステッ
プ１６）に、１５００℃で４時間焼成してチタン酸アル
ミニウムの焼成体を作製した（ステップ１７）。この焼
成体から試験片を切り出し、試験片の寸法精度を測定し
（ステップ１８）、また曲げ強度を測定した（ステップ
１９）。

【００２３】このチタン酸アルミニウム材料の製造にあ
たって、酸化チタンの種類及び酸化アルミニウムへの酸
化ナトリウムの含有量によって、得られたチタン酸アル
ミニウムの強度と寸法精度に如何なる影響を与えるかを
比較するため、比較試験片を作製した。比較試験片１
は、酸化チタンの原料粉としては、アナターゼタイプの
酸化チタンの原料粉を用い、また、アルミナ原料粉とし
ては、酸化ナトリウムの０．１ｗｔ％を含むアルミナ原
料粉を用いてチタン酸アルミニウムを製造した。比較試
験片２は、酸化チタンの原料粉としては、ルチルタイプ
の酸化チタンの原料粉を用い、また、アルミナ原料粉と
しては、酸化ナトリウムの０．２ｗｔ％を含むアルミナ
原料粉を用いてチタン酸アルミニウムを製造した。ま
た、比較試験片３は、酸化チタンの原料粉としては、ル
チルタイプの酸化チタンの原料粉を用い、また、アルミ
ナ原料粉としては、酸化ナトリウムの０．４ｗｔ％を含
むアルミナ原料粉を用いてチタン酸アルミニウムを製造
した。これらのチタン酸アルミニウムについて、曲げ強
度ＭＰａ、ワイブル係数（強度のバラツキ度合を反映す
る材料定数）及び寸法精度％を測定した結果を表１に示
す。

【表１】

【００２４】表１から分かるように、この発明による高
強度チタン酸アルミニウム材料即ち本発明試験片は、曲
げ強度；４０ＭＰａ、ワイブル係数；２９及び寸法精
度；±０．３％であった。これに対して、比較試験片１
は、曲げ強度；３６ＭＰａ、ワイブル係数；２４及び寸
法精度；±０．６％であった。比較試験片２は、曲げ強
度；３５ＭＰａ、ワイブル係数；２０及び寸法精度；±
０．５％であった。更に、比較試験片３は、曲げ強度；
３５ＭＰａ、ワイブル係数；１８及び寸法精度；±０．
５％であった。

【００２５】これらの結果から分かるように、チタン酸
アルミニウムの製造において、酸化ナトリウムの酸化ア
ルミニウムへの含有量については、アルミナ中の酸化ナ
トリウムが分散剤のアンモニア成分と置換し、スラリー
の性状を変化させることがなくなるためである。また、
酸化チタンとして、アナターゼタイプからルチルタイプ
に転換させることによって、酸化チタンの比重即ち密度
が３．８２〜３．９５ｇ／ｃｍ³から４．２３ｇ／ｃｍ
³に大きくなり、スラリー密度が上がって成形体密度が
上がる。その成形体を焼成すると、焼成収縮が１２％か
ら７％に減少し、寸法精度が向上したものと考えられ
る。

【００２６】

【発明の効果】この発明による高強度チタン酸アルミニ
ウム材料及びその製造方法は、上記のように構成されて
おり、次のような効果を有する。即ち、このチタン酸ア
ルミニウムは、ルチルタイプの酸化チタンと、酸化ナト
リウムとして０．１ｗｔ％以下を含有している酸化アル
ミニウムとから合成されているので、強度が安定し、し
かも寸法精度が高い材料を提供できる。従って、このチ
タン酸アルミニウムは、エンジン部品等で要求される強
度を確保でき且つ寸法精度が高いので、高強度及び高精
度を要求される燃焼室、排気ポート等の部品を作製する
のに適用して極めて好ましいものである。

【００２７】また、この高強度チタン酸アルミニウム材
料の製造方法において、ルチルと酸化アルミニウムの混
合物に対してタルクを添加して合成すると、高温安定性
を一層向上させることができる。また、ルチルと酸化ア
ルミニウムの混合物に対してろう石を添加して合成する
と、強度を一層増強させることができる。従って、タル
クとろう石を添加して合成すると、高温安定性を一層向
上させると共に、強度を一層増強させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による高強度チタン酸アルミニウム材
料及びその製造方法の工程の一実施例を示す処理フロー
図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ルチルタイプの酸化チタンと、酸化ナト
リウムとして０．１ｗｔ％以下を含有している酸化アル
ミニウムとから合成されていることを特徴とする高強度
チタン酸アルミニウム材料。
【請求項２】高温安定性を向上させるためにタルクを
添加して合成されていることを特徴とする請求項１に記
載の高強度チタン酸アルミニウム材料。
【請求項３】強度を増強させるためにろう石を添加し
て合成されていることを特徴とする請求項１及び請求項
２の何れかに記載の高強度チタン酸アルミニウム材料。
【請求項４】アナターゼタイプの酸化チタンを加熱し
てルチルタイプの酸化チタンに変化させ、該ルチルタイ
プの酸化チタンを粉砕してルチル原料粉を作る工程、該
ルチル原料粉と酸化ナトリウムとして０．１ｗｔ％以下
を含有している酸化アルミニウムの原料粉とを混合し、
添加剤としてタルクとろう石を添加してスラリーを作る
工程、次いで該スラリーに解膠剤を添加混合して泥漿を
作る工程、該泥漿を成形型に流し込んで成形体を作製す
る工程、及び該成形体の乾燥後に焼成して焼成体を作製
する工程、から成ることを特徴とする高強度チタン酸ア
ルミニウム材料の製造方法。