SiC耐火物の機械的強度と温度の関係

前回ブログの最後に少し述べましたが、SiC耐火物は他のアルミナ・ムライト等のいわゆる白物の耐火物と違い、温度が上がっても機械的強度は下がらず、逆に強度は若干上がるという非常にユニークな特性を持っております。

酸化物系セラミックス(アルミナ等)は一般的にイオン結合性が強く、高温になると強度が落ちる物が多いですが、SiC(炭化ケイ素)はダイヤモンド等と同じく共有結合性が強く、そもそも高温強度が強い為、最高使用温度以下なら温度が上がっても強度は落ちません。
更に、SiCの場合は温度上昇に伴い結晶の並びが整い内部の歪が減少する事により機械的強度が増すと言われております。

*大幸セラミック「SiC耐火物テクニカルデータ」はこちらをご参照下さい

すなわち、SiC耐火物の場合、常温で壊れない焼成物の荷重なら(最高使用温度以下の)高温でも荷重によって耐火物が壊れる事はないという事になります。一般的な「温度が上がれば物は柔らかくなる」という常識にSiC(炭化ケイ素)の場合は当てはまらないのです。
尚、実際には焼成過程でSiC耐火物が割れる場合がありますが、その原因のほとんどが温度の不均一により起こる熱衝撃が原因と考えられます。

 

焼成
焼成風景

SiC棚板の割れやすい例

SiC棚板が割れる原因は、板の端の部分と中心部分に温度差ができ、膨張・収縮率の差による歪によって割れる場合がほとんどです(詳しくは以前のブログ記事「SiC棚板が割れる原因とスリットの目的」をご参照下さい)。ではどのような場合が板に大きな温度差を生じ、板が割れやすいか例を挙げて説明致します。

下図の例1)の様に棚板の中心部分に熱を蓄積しやすい分厚い形状や重たい物がある場合がまず挙げられます。
棚板割れやすいパターン1

この場合炉内の温度が下がっていく過程で、焼成物のセラミックはSiC棚板よりも熱伝導率が悪いのでなかなか温度が下がりません。SiC棚板も端の部分から温度が下がって行き、板の中心部分は元々遅れて温度が下がってゆくのですが、その中心部分にまだ熱い焼成物があるせいで板の中心部分の温度の下がりが更に遅くなり、板の端の部分と中心部分の温度差が大きくなり、SiC棚板が割れやすくなります。

次に例2)のように棚板の間隔が狭く、焼成物もぎっしり載せられ空間が少ない場合です。
棚板割れやすいパターン2

この場合も同じく炉内の温度が下がっていく過程で、棚板の中心部分に熱がこもりやすくなり、板の端と中心部分の温度差が大きくなり、SiC棚板が割れやすくなります。

上記のような焼成物の載せ方以外にも、電気炉の場合は周りからヒーターで強力に加熱され、ガス炉に比べ炉内の対流が少ない為に温度上昇時に割れやすいとか、小さい炉の場合は炉壁が薄い為に、炉内の温度の下がり方が急で棚板の端の部分の温度が早く下がりやすく割れやすいなど、さまざまな場合が挙げられます。     しかしながら実際は、SiC棚板の大きさ、棚板のスリットの有無、焼成カーブや炉内の温度差のでき方など様々な要因により、SiC棚板が割れる/割れないが決まってきますので、一概にどういった場合が割れるかというのは簡単には言えません。

SiC棚板の厚さを厚くすれば、薄い板よりも1枚の板の中での温度差が比較的出来にくくなりますし、また温度差による歪に対しても物理的な抵抗力が強くなりますので、割れにくくなります。

尚、SiC棚板の場合は「焼成物が重いから割れる」というのは実は当てはまらず、焼成物の重さが直接の割れの原因にはなりません。SiCの場合は他のアルミナ・ムライト等の白物の耐火物と違い、温度が上がっても物理的強度は下がらず、逆に強度は若干上がるくらいですので、簡単に言うと室温で焼成物を載せて板が割れない場合は、高温になっても重さで割れるという事にはなりません。このお話は次回ブログにて。

耐火物の幅・厚みと強さの関係

前回のブログにてSiC耐火物の曲げ強さについて説明いたしました。では、同じ材質で幅や厚みが違う場合強さはどう変化するのかというのを今回ご説明致します。前回ブログにも出てきましたが、耐火物・セラミックスの3点曲げ強さσb3(Mpa)の公式は σb3=3PL÷(2wt2) となります。

  • P:試験片が破壊したときの最大荷重(N)
  • L:支点間距離(mm)
  • w:試験片の幅(mm)
  • t:試験片の厚さ(mm)

*「JISハンドブック セラミックス2010」より引用。

この方程式をP(試験片が破壊したときの最大荷重)で解くと、P=σb3×2wt2÷3L となります。ここで式を良く見ると、試験片の厚さ “t” が2乗になっています。即ち同じ材質で同じ曲げ強さ”σb3″の耐火物は、厚さが2倍になれば強さは2倍の2乗の4倍になります。因みに幅が2倍になった場合はそのまま強さも2倍となります。

曲げ強さと厚み幅の関係

 

また感覚的にもお解りになるかと思いますが、式の通り支点間距離 “L” が2倍になると、1/2の荷重 “P” で折れる事となり、即ち耐火物の強さも1/2に弱くなります。

SiC耐火物の曲げ強さについて

SiC耐火物がどのくらいの強度があるのかご質問頂く場合がございますので簡単に説明いたします。弊社Webサイトのテクニカルデータ等に掲載しております曲げ強度はJIS規格のR1601「ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法」の「3点曲げ強さ」に基づく数値です。イメージ的には下の写真のように2点を支持具で支え、その中心点に荷重を加えて試験片が破壊したときの最大荷重が曲げ強さとなります。

SiC曲げ強さ

3点曲げ強さσb3(Mpa)の公式は σb3=3PL÷(2wt2) となります。

  • P:試験片が破壊したときの最大荷重(N)
  • L:支点間距離(mm)
  • w:試験片の幅(mm)
  • t:試験片の厚さ(mm)

*「JISハンドブック セラミックス2010」より引用。当該試験に関する詳しい内容は「JISハンドブック セラミックス」をご覧下さい。

通常の酸化物結合SiCは曲げ強度45Mpaですので、例えば上の写真のサイズ幅25mm、厚さ20mm、支点間90mmを試験した場合は、上記公式にあてはめるとP=3,333(N)となりkgに変換すると約340kgとなります。即ち、中心点の荷重(P)が340kgになった時に初めて破壊するという事になります。SiC耐火物がどのくらいの強度があるのかなんとなくお判り頂けたでしょうか。

因みにSiC耐火物の中でも強度的に一番強い部類に入るSi-SiC(反応焼結SiC)の場合は曲げ強度250Mpaと酸化物結合SiCの約5倍以上ございますので、非常に強度のある物となります。各種SiC耐火物の曲げ強度データに関しましては弊社Webサイトの「高機能SiC耐火物」ページをご覧下さい。

SiC棚板が割れる原因とスリット(切込)の目的

セラミック製品の焼成で一般的によく使われている酸化物結合SiC棚板(カーボランダム棚板)の割れの原因とスリット(切込)について説明致します。SiC plate heat

SiC棚板にはこの様にスリットが入っているものが多いですが、これは炉の中で板の温度が上昇/降下する際に発生する歪を吸収する為にあります。

炉の温度が上がって行く時、中に入っている棚板は端の方から徐々に温度が上がってゆきます。また炉の温度が下がって行く時は逆に端の方から温度が下がって行き、棚板の中心部分は中々温度が下がりません。

温度降下時の棚板の温度分布イメージ写真
温度降下時のSiC棚板の温度分布イメージ写真

 どの物質でも同じですが、温度が高くなると物は膨張し、低くなると収縮します。一枚のSiC棚板の中で端と中心に温度差が出来た時、すなわち膨張・収縮率の差で歪が生まれそれが板が割れる原因となります(端の温度が早く下がる=端だけが早く収縮しようとします)。

一般的には特に温度が降下する時(約800℃~300℃の間)に板の中に温度差が生まれやすく、割れやすいとされています(冷め割れ)。その歪を吸収して板が割れるのを防ぐためにスリット(切込)が施されております。木材の柱等で(湿度による)膨張・収縮によって折れるのを防ぐために入っている切込と同じ原理です。

 

因みに「スリットの根元からクラックが入っている場合がほとんどなので、スリットは無い方が丈夫なのでは?」という声をよく聞きますが、歪を吸収しているのがスリットですので、スリット根元からクラックが入るというのはごく自然な事で、スリットが無い板ではもっと早くから真っ二つに割れていると思われます。スリット無のSiC棚板が割れる場合は下の写真の様に真ん中から割れる場合がほとんどで、これは端の温度と一番温度差があるのが中心部分という事によるものと考えられます。

SiC棚板(スリット無)の割れ方
SiC棚板(スリット無)の割れ方
  •  焼成サイクル(炉に入れてから出すまで)が短く、焼成カーブが急な場合
  • 棚組において棚板と棚板のスペースが狭く板の中心部分に熱がこもり易い場合
  • 板の中心部分に温度の下がり難い重量物を置いて焼成する場合

も1枚のSiC棚板の中で温度差が生まれやすく、板が割れやすいという事になります。

大幸セラミック・SiC(カーボランダム)棚板ページへはこちらから

SiC耐火物とムライト耐火物の熱伝導率比較

SiC耐火物は各種耐火物の中でも熱伝導率が良く、即ち炉の中でも早く温度が上がってゆきますので焼成におけるエネルギーロスが少ないと言われております。今回はSiC以外に一般的に良く使われているムライト耐火物と温まりやすさを比較する簡単な実験をしてみました。

夏の直射日光の下にほぼ同サイズの2種類の板を並べました。左は酸化物結合SiC板で、右はムライト板(アルミナ約70%)です。尚、SiC板が白いのは表面にコーティングがされている為です。

SiC&Mullite plate
左:SiC板             右:ムライト板

実験スタート時はどちらも34.5℃です。  
Temperature before test
*土岐市は多治見の隣で今年も酷暑でございます。

 そのまま約20分放置した結果、SiC板は48℃、ムライト板は39.5℃となり、SiC板の方は素手で持つには熱いくらいに温度が上がりました。

左:SiC板 48℃            右:ムライト板 39.5℃
左:SiC板 48℃            右:ムライト板 39.5℃

 このようにSiC板の方がムライト板と比べ熱伝導率がかなり良い事が体感的に分かります。

では数値的に各種耐火物がどのくらい熱伝導率が違うのかを比べると

  • Si-SiC(反応焼結SiC)=40W/mK
  • 酸化物結合SiC = 16 W/mK   *今回実験した材質 
  • アルミナ質(アルミナ90%) =2.9W/mK
  • ムライト質(アルミナ70%)=1.9W/mK  *今回実験した材質
  • ムライト・コーディライト質(アルミナ55%)=1.7W/mK

     (1000℃での数値・上記は参考数値です)

というようにムライト・コーディライト質と比べると酸化物結合SiCでも約10倍近く熱伝導率が良いという事になり、それだけSiC耐火物が温まりやすいと言えます。

 セラミックスメーカー様の中には焼成時の省エネを目指して出来るだけSiC系耐火物を使うようにしている所もございます。

各種SiC耐火物のテクニカルデータはこちらをご覧下さい。

Si-SiC(反応焼結SiC)製バーナーノズルと従来品SiCの比較

当社販売のバーナーノズル(スリーブ)は高性能Si-SiC質です。


Si-SiC(反応焼結SiC)製バーナーノズル
Si-SiC(反応焼結SiC)製バーナーノズル
Si-SiC(反応焼結SiC)は緻密質であり、耐酸化性能が非常に高い為、高性能バーナーノズルとして広く使われております。バーナー付近では特に酸化反応が激しい為、Si-SiC製が最も適しております。価格も比較的安価で御提供しておりますので、コストパフォーマンスは非常に優れていると思います。尚、Si-SiCの性質上1,350℃を超える条件では中の金属シリコンが溶け出てしまいますので使用できません。
    比較対照として当社のSi-SiC製と他社の従来の酸化物結合SiC製を比較してみます。

左:当社Si-SiC  右:他社SiC
左:当社Si-SiC      右:他社SiC

他社の従来品酸化物結合SiC製のバーナーノズルは緻密体ではなくポーラスで、又耐酸化性能も劣るため使って行く内に徐々に酸化され色が白っぽくなりサイズも膨張し、亀裂が入ります。


他社の酸化物結合SiCバーナーノズル
他社の酸化物結合SiCバーナーノズル
酸化された他社製SiCバーナーノズルの表面
酸化された他社製SiCバーナーノズルの表面

 

当社では高品質のSi-SiCバーナーノズル(バーナースリーブ)を競争力ある価格にて販売しておりますので、是非お問い合わせ下さい。

反応焼結Si-SiCについて

SiSiCblog2010May

反応焼結Si-SiC

金属シリコンSiを含浸させる事により気孔を埋め作られたSi-SiCは緻密体であり、他のSiC耐火物に比べても更に高強度・高熱伝導・高耐酸化・高耐磨耗という性質を持っています。一般の酸化物結合SiCに比べ機械的強度は約5倍、熱伝導率は約2倍あります。またSiC耐火物の最大の弱点である酸化による劣化もほとんど無く、一般的に3000~4000サイクルの焼成に耐えられると言われております。これらの特性を生かし例えば下記の様な用途で使用されます。

  • 焼成台車のストラクチャービームや支柱
  • ローラーハース焼成炉のローラー
  • ラジアントチューブバーナー
  • バーナーノズル
  • 配管の耐磨耗用ライニング

尚、使用温度が1,350℃を超えると金属シリコンSiが溶け出してしまいますので1,350℃以上の条件には使用できません。また鋳込み成型品ですので厚み5~12mmまでの均一の厚さの形状しか作ることができず、強い衝撃に対しては比較的割れ易いのでハンドリングには注意が必要です。

具体的なデータは大幸セラミックホームページ中の高機能SiC耐火物ページをご参照下さい。お問い合わせ時には形状、用途、使用条件、必要数量等をご連絡下さい。

支柱はなぜSiC製ではないのか?

「棚板組み用の支柱はなぜSiCではないの?」と、あるメーカー様から質問を頂きました。今回はそんな素朴な質問にお答えします。

棚板がSiCで支柱もSiCにしてしまうと窯の中でくっついてしまいます。SiCとSiCは1,200-1,300度くらいの焼成時には接しているとお互いにくっついてしまうのです。こうなると棚組みを崩す時には棚板と支柱を壊さないといけなくなってしまいます。
また、以前のSiCは特にそうですが、SiCは使っていくうちに徐々に膨張してゆきますので、支柱をSiCにしてしまうと、支柱の高さも徐々に高くなってしまい炉壁上部にぶつかる事になります。

その点、現在の一般的な白いアルミナ系材質の支柱はこのような事はありません(アルミナ系の場合は逆に荷重に対して縮んでゆきますが)。
また、単価的にもSiCの方がいくらか高くなります。ただ、強度的にはSiC製の方が強く、耐火度もSiCの方が若干高く、製品重量のある碍子の焼成等にはSiC製支柱が使われていたりします。尚、同じアルミナ系支柱でもアルミナの%が90%近くまで上がると耐火度はあがりSiCよりも高温に耐えられる特別な支柱もあります。

支柱ブログ

アルミナ系支柱            SiC製支柱

ということで、現在一番一般的に使われている支柱はアルミナ系となっております。

SiC耐火物の膨張と劣化

SiC(カーボランダム)棚板・ストラクチャーパイプ・キャップなどのSiC耐火物は一般的には使用を重ねると少しずつ膨張してゆきますが、これはSiCが酸化されてゆく為です。SiCが酸化されると膨張・劣化し、その結果曲がりやクラックが発生します。SiC耐火物の性能は正にこの「酸化され易いかされ難いか」によって左右されると言っても過言ではありません。他社製品の中にはこの膨張・劣化の激しいものもありますので注意が必要です。

他社製酸化物結合SiCキャップの劣化の例newsiccap
上の写真は他社製酸化物結合SiCキャップの新品時の状態とサイズで、直径は10cm。

それの使用後の写真が下記です。usedsiccap変化した点は

  • 直径が10.3cmちょっとにまで膨張
  • 色が白っぽく変化
  • 手で触っても表面がボロボロ取れるくらいに劣化

新品時の見た目、重量とも当社品とあまり変わりは無いのですが、使用を繰り返した後の劣化具合は全く異なります。当社酸化物結合SiC製品ではこの様な事はなく、これは「酸化され難さ」という性能の差によるもので、酸化雰囲気の焼成では特に差が出ます。現在御使用のSiC耐火物の劣化が早いと思われる方は一度弊社へご相談下さい。