專利名稱：離心燒結(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)通過在離心場干燥以及/或者燒結(jié)由陶瓷或金屬粉體組成的成型體或陶瓷前體膜，以得到陶瓷或金屬的燒結(jié)體、或者陶瓷膜的離心燒結(jié)裝置，更詳細(xì)的是有關(guān)通過使試樣臺高速旋轉(zhuǎn)，讓由陶瓷或金屬粉體組成的成型體或陶瓷前體膜產(chǎn)生離心力，同時通過對它們進(jìn)行干燥以及/或者燒結(jié)，可得到陶瓷或金屬的致密燒結(jié)體、或者致密陶瓷膜的離心燒結(jié)裝置用陶瓷構(gòu)件及裝配了該陶瓷構(gòu)件的離心燒結(jié)裝置。本發(fā)明有助于提供為在離心燒結(jié)裝置中使用的、使試樣架高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸以及試樣架。
背景技術(shù)：
一般，作為產(chǎn)生離心力的裝置，代表性的有離心分離裝置，它已被實用化。此外，作為以燒結(jié)為前提的高溫加熱手段，可利用真空及氣體置換等控制環(huán)境條件，具有快速加熱手段的高頻感應(yīng)加熱及介質(zhì)加熱手段被實用化。進(jìn)而，近年作為在高溫環(huán)境下使用的超精密旋轉(zhuǎn)體代表性部件的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片等的材料，開始積極地應(yīng)用熱膨脹小，機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性及耐磨耗性優(yōu)異，并且比重小，可實現(xiàn)輕量化的陶瓷等。
另一方面，還提案了使試樣產(chǎn)生離心力并對該試樣進(jìn)行加熱燒制制作燒結(jié)體的燒結(jié)方法及裝置(參照特開2002-193680號公報)。一般，在這種方法中，試樣發(fā)生的離心力由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)、距試樣的半徑以及試樣的比重決定，可用以下公式表示。
CF＝11.18×(N/1000)2×R (1-1)式中，CF為發(fā)生的離心力(G)；N為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)(min-1)；R為從轉(zhuǎn)子的中心到試樣的距離。鑒于離心力與轉(zhuǎn)數(shù)的平方、從轉(zhuǎn)子的中心到試樣的距離成正比，所以轉(zhuǎn)子其轉(zhuǎn)數(shù)越大，則發(fā)生的離心力就會越來越大，轉(zhuǎn)子自身發(fā)生的內(nèi)部應(yīng)力也增大，那樣轉(zhuǎn)子自身可能會破壞。表1所示的是例如從轉(zhuǎn)子中心到試樣的距離為8cm時的轉(zhuǎn)數(shù)和離心力的關(guān)系。由這些關(guān)系可知，作為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子部，關(guān)鍵是開發(fā)可與高速旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的驅(qū)動部，以及開發(fā)從轉(zhuǎn)子的中心到試樣的距離比較長，即半徑較大的轉(zhuǎn)子，為此，開發(fā)使這些開發(fā)成為可能的新的構(gòu)件將非常重要。
表1

此外，為了使旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，有以下2種方式(1)盡可能高地設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸的彎曲臨界速度，并在該彎曲臨界速度以下使用旋轉(zhuǎn)軸的剛性軸方式；(2)在旋轉(zhuǎn)軸的彎曲臨界速度以上使用旋轉(zhuǎn)軸的彈性軸方式。這其中，對于剛性軸方式而言，為了提高旋轉(zhuǎn)軸的彎曲剛性，需要加粗該旋轉(zhuǎn)軸的外徑等。但是，把旋轉(zhuǎn)軸加大的話，軸承的線速度增加，其潤滑條件有限。
另一方面，在彈性軸方式中，為了使旋轉(zhuǎn)軸的彎曲臨界速度處于較低速范圍而把旋轉(zhuǎn)軸做成具有細(xì)徑部的結(jié)構(gòu)，不控制彎曲地提高旋轉(zhuǎn)，以通過臨界速度，使旋轉(zhuǎn)軸在彎曲臨界速度以上的高速旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)使用。上述燒結(jié)裝置的旋轉(zhuǎn)軸，由于在高溫環(huán)境下使用，所以即使希望采用陶瓷軸，由于陶瓷材料是脆性材料，使其旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速超過其彎曲臨界速度進(jìn)行上升，與剛性軸方式的情況相同，材料上的撓曲容許值較小，所以比較困難。為此，這個方式中存在旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速被限制在彎曲臨界速度以下的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)諸問題和上述情況而進(jìn)行的，其目的是根據(jù)上述各種問題，提供可以讓由陶瓷或金屬粉體組成的成型體或陶瓷前體膜產(chǎn)生離心力場及溫度場的裝置所使用的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架組成的構(gòu)件，其中使試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸在1200℃水平的環(huán)境溫度條件下具有耐久性的離心燒結(jié)裝置的陶瓷構(gòu)件，以及提供使用感應(yīng)加熱手段或介質(zhì)加熱手段可間接加熱試樣的離心燒結(jié)裝置。
為了解決上述課題，本發(fā)明由以下的技術(shù)手段構(gòu)成。
(1)一種離心燒結(jié)裝置的陶瓷構(gòu)件，其是在由陶瓷或金屬粉體組成的成型體或陶瓷前體膜附加離心力場及溫度場的離心燒結(jié)裝置所使用的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架組成的構(gòu)件，用陶瓷構(gòu)成使試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架，即使在300～1200℃的環(huán)境溫度條件下附加10～700,000G的離心力，它們也不發(fā)生熱變形，不會因為熱應(yīng)力而破損。
(2)本發(fā)明第(1)方面所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用氮化硅或炭化硅陶瓷構(gòu)成使上述試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸。
(3)本發(fā)明第(1)或(2)方面所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成使上述試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，并使用感應(yīng)加熱手段通過選擇性地只使轉(zhuǎn)子自己發(fā)熱而間接加熱試樣。
(4)本發(fā)明第(1)或(2)方面所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用介質(zhì)損耗大的材料構(gòu)成上述試樣架，使用介質(zhì)加熱手段通過選擇性地只使試樣架發(fā)熱而間接加熱試樣。
(5)本發(fā)明第(4)方面所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成上述試樣架。
(6)一種離心燒結(jié)裝置，其特征在于，作為構(gòu)成要素包含上述(1)至(5)中任意一項所述的陶瓷構(gòu)件。
以下，就本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
本發(fā)明，如上所述，其是在由陶瓷或金屬粉體組成的成型體或陶瓷前體膜附加離心力場及溫度場的離心燒結(jié)裝置所使用的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架組成的構(gòu)件，用陶瓷構(gòu)成使試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架，即使在300～1200℃的環(huán)境溫度條件下附加10～700,000G的離心力，它們也不發(fā)生熱變形，不會因為熱應(yīng)力而破損。根據(jù)本發(fā)明人等分析的結(jié)果，在高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)的裝置需要滿足以下的條件，即需要(1)作為轉(zhuǎn)子的材質(zhì)，應(yīng)該是熱膨脹小，機(jī)械強(qiáng)度及耐熱性優(yōu)異，并且比重小，可實現(xiàn)輕量化的材質(zhì)；(2)轉(zhuǎn)子應(yīng)該是可與高速旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的空氣阻力小的圓盤形狀，以及從轉(zhuǎn)子的中心到試樣的距離較長，即半徑較大的轉(zhuǎn)子；(3)作為轉(zhuǎn)軸，應(yīng)該熱膨脹小，機(jī)械強(qiáng)度及耐熱性優(yōu)異，熱傳導(dǎo)率小，隔熱性優(yōu)異的材質(zhì)；(4)應(yīng)該采用可盡可能高地設(shè)定軸的彎曲臨界速度，并在該彎曲臨界速度以下使用的剛性軸方式；(5)作為加熱手段，利用高頻感應(yīng)加熱以及介質(zhì)加熱方式可有效地進(jìn)行快速加熱，特別是轉(zhuǎn)子及試樣架的材質(zhì)應(yīng)該是可進(jìn)行選擇性局部加熱的材質(zhì)。
因此，為解決這些課題，進(jìn)行了分析及研究，由其結(jié)果可知，采用以下的構(gòu)成是很重要的。即關(guān)鍵是(1)作為轉(zhuǎn)子的材料，應(yīng)使用在1200℃水平以下的環(huán)境溫度條件下高溫強(qiáng)度高，并且比重小的材質(zhì)，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的輕量化；(2)作為轉(zhuǎn)軸材料，應(yīng)使用在1200℃水平以下的環(huán)境溫度條件下高溫強(qiáng)度高，并且熱傳導(dǎo)率小的材質(zhì)，以確保轉(zhuǎn)子和軸承的隔熱性；(3)作為加熱手段優(yōu)異的材料，應(yīng)該是可以用具有導(dǎo)電性的材質(zhì)進(jìn)行感應(yīng)加熱、或者可以用介質(zhì)損耗大的材質(zhì)進(jìn)行介質(zhì)加熱的材料；(4)作為流體力學(xué)上空氣阻力小的轉(zhuǎn)子形狀，應(yīng)該是沒有突起的圓盤形狀；(5)作為可進(jìn)行有效的加熱和冷卻，并容易裝卸操作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該使用試樣架內(nèi)置在圓盤中，并且可以只對試樣架進(jìn)行選擇加熱那樣的材質(zhì)。
綜合考慮這些要件后發(fā)現(xiàn)，作為具體的材質(zhì)，最合適是例如通過高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及試樣架采用炭化硅陶瓷，以及轉(zhuǎn)軸采用氮化硅陶瓷，以此可以解決在1200℃水平的環(huán)境下耐久性優(yōu)異的上述課題。
也就是說，本發(fā)明的特征在于，為了使高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸即使在300～1200℃的環(huán)境溫度條件下產(chǎn)生10～700,000G的離心力，也不發(fā)生熱變形，不會因為熱應(yīng)力而破損，用氮化硅或者炭化硅陶瓷構(gòu)成它們。此外，本發(fā)明特征還在于，使用炭化硅陶瓷構(gòu)成高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及試樣架，用氮化硅陶瓷構(gòu)成轉(zhuǎn)軸，使用感應(yīng)加熱手段或者介質(zhì)加熱手段，通過使轉(zhuǎn)子或者試樣保持架自己發(fā)熱而選擇性地加熱試樣。
作為本發(fā)明使用的氮化硅陶瓷，例如，例示添加了氧化鋁、氧化釔等燒結(jié)輔助劑的氮化硅燒結(jié)體，添加了氧化鋁、氮化鋁等的SiAlON燒結(jié)體等。此外，同樣作為炭化硅陶瓷，例如，例示把硼及碳等作為燒結(jié)輔助劑而添加的炭化硅燒結(jié)體。作為導(dǎo)電性的炭化硅陶瓷，例如，例示使用高純度的炭化硅原料，添加微量的等電性物質(zhì)，進(jìn)行熱壓燒結(jié)的炭化硅燒結(jié)體。另外，作為介質(zhì)損耗大的材料，例如，例示等電性炭化硅及氧化鋯等。但是，可以具有表2所示的諸特性，不限于這些。
下面，就轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸以及試樣架的制作方法進(jìn)行說明，混合粉碎原始原料和燒結(jié)輔助劑，然后用噴霧式干燥機(jī)對添加了成型輔助劑的生料進(jìn)行干燥、并做成顆粒，調(diào)制沖壓原料。然后，利用靜水壓沖壓成型法分別成型為圓板形狀及棒狀，使成型輔助劑脫脂后，氮化硅在常壓下燒結(jié)，炭化硅在熱壓下燒結(jié)，得到素材。然后，進(jìn)行機(jī)械加工制作規(guī)定形狀的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸以及試樣架。
作為本發(fā)明使用的離心燒結(jié)裝置，例如，例示的燒結(jié)裝置(

圖1)具備具有可高速旋轉(zhuǎn)的試樣臺(試樣架)的工件部、對該工件部進(jìn)行加熱的加熱部、對加熱溫度進(jìn)行控制的溫度控制部、使工件旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)部(轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸)、對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)速控制部、真空磁屏蔽軸承部以及密閉用的蓋體。但是，不限于這些，如果是具有與它們同樣功效的手段及功能的裝置的話，可以同樣地使用這些裝置。本發(fā)明，在上述燒結(jié)裝置中，用上述氮化硅或者炭化硅陶瓷構(gòu)成對其旋轉(zhuǎn)部進(jìn)行構(gòu)成的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸，或者使用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成上述轉(zhuǎn)子，使用介質(zhì)損耗大的材料例如導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成上述試樣架。
在本發(fā)明中，通過采用上述構(gòu)成，例如使用感應(yīng)加熱手段，通過選擇性地只使轉(zhuǎn)子或試樣架發(fā)熱，可以間接加熱試樣，那樣，可以顯著地提高燒結(jié)過程中的能量效率。此外，通過用上述氮化硅或炭化硅陶瓷構(gòu)成上述轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸，即使在300～1200℃的環(huán)境溫度條件下產(chǎn)生10～700,000G的離心力，與不銹鋼制轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸相比，上述轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸不發(fā)生熱變形，不會因為熱應(yīng)力而破損，在高安全率下可以進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。例如，我們知道，就不銹鋼制而言，轉(zhuǎn)數(shù)不超過10,000min-1，而就氮化硅陶瓷制而言，可以得到即使轉(zhuǎn)速超過10,000min-1也具有高安全性這一難以預(yù)期的效果。
此外，如后述的試驗例所示可知，就氮化硅或炭化硅陶瓷制而言，特別在斷裂強(qiáng)度和輕量化方面優(yōu)異，軸部的安全性和共振轉(zhuǎn)數(shù)較大。通過使用本發(fā)明的使試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸以及試樣架，可以實現(xiàn)可產(chǎn)生10～700,000G離心力場以及300～1200℃溫度場的離心燒結(jié)裝置。在本發(fā)明中，加熱手段雖未特別限制，但是用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成轉(zhuǎn)子以及/或者試樣架時，可以采用感應(yīng)加熱手段或者介質(zhì)加熱手段。這時，該加熱手段的具體構(gòu)成沒有特別限制，可以使用適宜的手段及方法。
試樣架需要做成容易裝卸試樣、在離心力負(fù)載作用下不移動的結(jié)構(gòu)。此外，為了使試樣架負(fù)載離心力，要求試樣架的重量盡量輕量化，使每個架的重量保持一定，并且不發(fā)生偏心引起的旋轉(zhuǎn)振動。例如，例示把試樣架陷入轉(zhuǎn)子外圓周部的袋孔中的方式，為了不用小螺釘能夠把試樣裝配在試樣架，而陷入轉(zhuǎn)子中的方式，但是不限于這些。
以下，根據(jù)試驗例具體說明本發(fā)明。
以不銹鋼及陶瓷的各種材料為對象對轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸的材料進(jìn)行了評價。這里，各種材料的諸特性如表2所示，作為轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸的材料，氮化硅及炭化硅，如表2所示，即使在陶瓷中也具有合適的比重、室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、斷裂韌性、耐熱沖擊性等。
表2

為了評價轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)，就以下方面進(jìn)行了分析，(1)轉(zhuǎn)子構(gòu)件的材料選定；(2)轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度的計算及材質(zhì)和尺寸形狀的選擇；(3)共振轉(zhuǎn)數(shù)的計算；(4)合適的構(gòu)成。
(1)轉(zhuǎn)子構(gòu)件的材料選定轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度，認(rèn)為與轉(zhuǎn)子半徑方向作為拉伸應(yīng)力而發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力(σrmax)和因旋轉(zhuǎn)而在圓周方向產(chǎn)生的最大拉伸應(yīng)力(σθmax)對應(yīng)，它們的計算如下。
即轉(zhuǎn)子半徑方向作為拉伸應(yīng)力而發(fā)生的σrmax由下列公式表示σrmax＝(γ·ω2/8g)×(3+υ)×(b-a)2(1-2)另一方面，因旋轉(zhuǎn)而作用于圓周方向的σθmax由下列公式表示σθmax＝(γ·ω2/4g)×{(3+υ)×b2+(1-υ)×a2} (1-3)式中，γ為材料的比重(Kgf/cm3)；ω為角速度(rad/sec)；υ為材料的泊松比；a為轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑(cm)；b為轉(zhuǎn)子的外徑(cm)；g為重力加速度(cm/sec2)。
下面，舉例對不銹鋼進(jìn)行分析。這里，設(shè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)為15,000min-1，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑a為0.6cm，轉(zhuǎn)子外徑b為9cm，不銹鋼的γ為0.00793Kgf/cm3，υ為0.3，計算不銹鋼制轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的σrmax及σθmax的話，則得出581及1334Kgf/cm2。如表2所示，800℃時不銹鋼的屈服強(qiáng)度為1300Kgf/cm2，由于計算得到的σθmax比不銹鋼的屈服強(qiáng)度大，所以可知不銹鋼制轉(zhuǎn)子不適合高溫(800℃)下的高速旋轉(zhuǎn)(15,000min-1)。
此外，另舉例對氮化硅進(jìn)行分析。設(shè)氮化硅的γ為0.0032Kgf/cm3，υ為0.2的話，則σrmax為227Kgf/cm2，σθmax為522.1Kgf/cm2。
氮化硅的拉伸應(yīng)力如表2所示，為4200Kgf/cm2，該值與σrmax及σθmax相比足夠大。由此可知，氮化硅制轉(zhuǎn)子適合高溫(800℃)下的高速旋轉(zhuǎn)(15,000min-1)。
安全率表示構(gòu)件不變形的極限，該值的大小成為構(gòu)件材料選擇的指標(biāo)。安全率根據(jù)發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力和材料固有的屈服強(qiáng)度可用以下公式表示。
(不銹鋼的情況)安全率S＝材料固有屈服強(qiáng)度/發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力 (1-4)(氮化硅的情況)安全率S＝容許拉伸應(yīng)力/發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力 (1-5)這里，根據(jù)(1-2)及(1-3)式，計算氮化硅制及不銹鋼制轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)數(shù)變化時轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的σrmax及σθmax，再由上述(1-4)及(1-5)式計算安全率，對安全性進(jìn)行了分析。再有，800℃時不銹鋼的屈服強(qiáng)度，根據(jù)表2，為1300Kgf/cm2。另一方面，陶瓷由于是脆性材料變形能極其小，所以使用拉伸斷裂強(qiáng)度替代屈服強(qiáng)度。800℃時氮化硅的斷裂強(qiáng)度由表2可知為4200Kgf/cm2。
圖2和圖3所示的是800℃時半徑方向及圓周方向的不銹鋼制及氮化硅制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)和安全率的關(guān)系。就氮化硅而言，與不銹鋼相比，在規(guī)定的轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)，安全率表示很高的值。特別是氮化硅的情況，在轉(zhuǎn)數(shù)為25,000min-1的高速旋轉(zhuǎn)時，半徑方向具有約為7、圓周方向具有約為3這樣較高的值，但是就不銹鋼而言，半徑方向具有約為2、圓周方向具有約為1以下這樣較低的值。這表示氮化硅制轉(zhuǎn)子與不銹鋼制轉(zhuǎn)子相比，可以以較高安全率進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，即使超過10,000min-1氮化硅制轉(zhuǎn)子的安全性也很高。另一方面，對于不銹鋼制轉(zhuǎn)子而言，在轉(zhuǎn)數(shù)10,000min-1以上雖可確保安全率，但是再高的話就不能確保，由此可知，不銹鋼制轉(zhuǎn)子只能適用于轉(zhuǎn)數(shù)10,000min-1以下的情況。
(2)軸強(qiáng)度的計算及材質(zhì)和尺寸形狀的選擇轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度計算公式如下所示。
作用于軸的離心力(kgf)F＝{W×(δ+ε)/g}×ω2(1-6)由離心力產(chǎn)生的軸撓曲量(cm)δ＝F·L3/3E·I (1-7)軸上發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力(Kgf/cm2)σmax＝F·L/Z (1-8)式中，W為轉(zhuǎn)子重量(kgf)；δ為軸撓曲量(cm)；ε為轉(zhuǎn)子偏心量(cm)；ω為角速度(rad/sec)；L為軸長(距離固定端的長度)(cm)；E為揚氏模量(Kgf/cm2)；I為斷面的2次力矩(cm4)；Z為斷面系數(shù)(cm3)。
這里，就不銹鋼制的軸上所發(fā)生的應(yīng)力進(jìn)行分析。根據(jù)上述(1)的安全率結(jié)果，對于不銹鋼制轉(zhuǎn)子而言，關(guān)鍵是轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)不超過10,000min-1。為此，以圖1所示形狀的轉(zhuǎn)子為對象，設(shè)轉(zhuǎn)數(shù)為10,000min-1進(jìn)行了計算。設(shè)轉(zhuǎn)子的重量W為4.06kgf，轉(zhuǎn)子偏心量ε為0.01cm，軸徑d為3cm，軸長L為12cm，揚氏模量E為2,000,000Kgf/cm2，斷面2次力矩I為3.97cm4，斷面系數(shù)Z為2.65cm3。
關(guān)于I，由于I＝πd4/64，所以該值為3.97。關(guān)于Z，使用了由Z＝πd3/32計算的2.65的值。根據(jù)這些值計算的話，則得出作用于軸的離心力F為66,250kgf·cm/sec2，軸撓曲量δ為49μm，軸上發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力σmax為306Kgf/cm2。根據(jù)所得到的最大拉伸應(yīng)力，800℃時不銹鋼的屈服強(qiáng)度根據(jù)表2為1300Kgf/cm2，計算安全率的話，得出為4.2。另一方面，對氮化硅也同樣地進(jìn)行了強(qiáng)度計算。設(shè)重量W為1.62kgf，轉(zhuǎn)子偏心量ε為0.01cm，軸徑d為3cm，軸長L為12cm，揚氏模量E為3,000,000Kgf/cm2，斷面2次力矩I為3.97cm4，斷面系數(shù)Z為2.65cm3。關(guān)于轉(zhuǎn)數(shù)，為了與不銹鋼比較，設(shè)為10,000min-1。根據(jù)計算得到的作用于軸的離心力F為19,475kgf·cm/sec2，軸撓曲量δ為10μm，軸上發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力σmax為90Kgf/cm2。這時，根據(jù)得到的最大拉伸應(yīng)力，計算800℃時安全率的話，則得出46.7。通過保持相同軸徑改變材質(zhì)，重量減輕2.5倍，揚氏模量加大1.5倍?？芍?，最終的安全率，對于不銹鋼制，氮化硅制約為11倍，可靠性得到飛躍提高。
圖4所示的是溫度800℃時旋轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度，即不銹鋼制和氮化硅制旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)數(shù)和軸的安全率的關(guān)系。就氮化硅制而言，與不銹鋼制相比，在規(guī)定的轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)，安全率表示了很高的值。特別對于氮化硅制轉(zhuǎn)子及軸，安全率的值，在共振轉(zhuǎn)數(shù)以下使用的話，數(shù)值上也具有充分的可靠性。因此，根據(jù)該結(jié)果，確定了氮化硅制及不銹鋼制的轉(zhuǎn)子及軸的尺寸。這里，旋轉(zhuǎn)軸被固定在軸承上，剛性雖然隨著口徑的增大而提高，安全率較高，但是軸承的線速度增加，與軸承壽命相關(guān)而受到制約。這里，在作為潤滑方式以潤滑劑潤滑條件時，容許轉(zhuǎn)速為35,000min-1以下的條件下，軸徑設(shè)為3cm。
(3)共振轉(zhuǎn)數(shù)的計算共振轉(zhuǎn)數(shù)的計算公式如下。
共振轉(zhuǎn)數(shù)(min-1)n＝(30/π)×(3E·I·g/L3·W)1/2(1-9)式中，W為轉(zhuǎn)子重量(kgf)；L為軸長(距離固定端的長度)(cm)；E為揚氏模量(Kgf/cm2)；I為斷面的2次力矩(cm4)；g為重力加速度(cm/sec2)。根據(jù)上述公式計算了采用不銹鋼制及氮化硅制轉(zhuǎn)子及軸時的共振轉(zhuǎn)數(shù)。設(shè)不銹鋼制轉(zhuǎn)子的重量W為4.06kgf，不銹鋼制軸徑d為3cm，軸長L為12cm，揚氏模量E為2,000,000Kgf/cm2，斷面2次力矩I為3.97cm4，重力加速度g為980cm/sec2。這時的斷面2次力矩由I＝πd4/64求得。計算所求得的共振轉(zhuǎn)數(shù)n為17,440min-1。
另一方面，設(shè)氮化硅制轉(zhuǎn)子的重量W為1.62kgf，氮化硅制的軸徑d為3cm，軸長L為12cm，揚氏模量E為3,000,000Kgf/cm2，斷面2次力矩I為3.97cm4。這時的斷面2次力矩由I＝πd4/64求得。計算所求得的共振轉(zhuǎn)數(shù)n為33,790min-1。圖5所示的是不銹鋼和氮化硅情況的軸長變化時的共振轉(zhuǎn)數(shù)的值。隨著軸長變短，共振轉(zhuǎn)數(shù)成倍地增加，氮化硅所示的是不銹鋼的2倍的值。
此外，圖6所示的是不銹鋼和氮化硅情況的轉(zhuǎn)子重量變化時的共振轉(zhuǎn)數(shù)的值。隨著轉(zhuǎn)子重量減小，共振轉(zhuǎn)數(shù)成倍地增加，但是沒有像軸長那樣的效果。另外，由于氮化硅比重比較小，所以共振轉(zhuǎn)數(shù)很高。由該結(jié)果可知，盡可能輕量化的轉(zhuǎn)子的軸長縮短的結(jié)構(gòu)有利。通過采用氮化硅制的旋轉(zhuǎn)軸，可以使共振轉(zhuǎn)數(shù)高速化。但是，氮化硅由于是脆性材料，在共振轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在即時斷裂的危險，所以在共振轉(zhuǎn)數(shù)以下使用是不可缺少的條件。再有，作為陶瓷材料，以氮化硅情況為中心進(jìn)行了說明，但是根據(jù)對炭化硅進(jìn)行分析的結(jié)果可知，炭化硅在物理性質(zhì)上也具有同等的性質(zhì)，可以期待同等的效果。
(4)合適的構(gòu)成關(guān)于轉(zhuǎn)子部的構(gòu)成，根據(jù)分析結(jié)果可知如下的內(nèi)容。也就是說，氮化硅制轉(zhuǎn)子與不銹鋼制轉(zhuǎn)子相比，可以以高安全率進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，即使超過10,000min-1氮化硅制轉(zhuǎn)子安全性也較高。此外，對不銹鋼制轉(zhuǎn)子而言，需要轉(zhuǎn)數(shù)不超過10,000min-1。在軸部的構(gòu)成中，根據(jù)分析結(jié)果可知以下的內(nèi)容。也就是說，只改變可軸的材質(zhì)，重量可減輕2.5倍，揚氏模量增加1.5倍，最終的安全率，針對不銹鋼制，氮化硅約為11倍，可靠性飛躍地提高。關(guān)于共振轉(zhuǎn)數(shù)，根據(jù)分析結(jié)果可知如下的內(nèi)容。也就是說，隨著軸長縮短，共振轉(zhuǎn)數(shù)成倍地增加，氮化硅所示的是不銹鋼的2倍的值。由此可知，盡可能輕量化的轉(zhuǎn)子的軸長縮短的結(jié)構(gòu)有利，通過采用氮化硅制的旋轉(zhuǎn)軸共振轉(zhuǎn)數(shù)可高速旋轉(zhuǎn)化。根據(jù)以上的結(jié)果制作的氮化硅制轉(zhuǎn)子及軸的一例與不銹鋼制一起表示在表3中。
表3

附圖簡單說明圖1所示的是離心燒結(jié)裝置的概念圖。
圖2所示的是溫度800℃時不銹鋼及氮化硅轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)和安全率的關(guān)系(徑向)。
圖3所示的是溫度800℃時不銹鋼及氮化硅轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)和安全率的關(guān)系(圓周方向)。
圖4所示的是溫度800℃時旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)數(shù)和軸的安全率的關(guān)系。
圖5所示的是溫度800℃時軸長變化時的共振轉(zhuǎn)數(shù)的計算結(jié)果。
圖6所示的是溫度800℃時轉(zhuǎn)子重量變化時的共振轉(zhuǎn)數(shù)的計算結(jié)果。
圖7所示的是感應(yīng)加熱試驗的概要圖。
圖8所示的是電阻不同的炭化硅的加熱升溫測試結(jié)果。
圖9所示的是試驗裝置的系統(tǒng)整體構(gòu)成圖。
符號的說明1 加熱部
2 溫度控制部3 旋轉(zhuǎn)部4 轉(zhuǎn)速控制部5 真空磁屏蔽軸承部6 蓋體W 工件部具體實施方式
以下，根據(jù)實施例具體地對本發(fā)明進(jìn)行說明，但是本發(fā)明絲毫不由以下的實施例所限定。
實施例1(1)導(dǎo)電性陶瓷的感應(yīng)加熱試驗在本發(fā)明中，采用的是利用感應(yīng)加熱，把轉(zhuǎn)子或試樣架的構(gòu)件作為導(dǎo)電性材料，通過其自己發(fā)熱以加熱被加熱體的方式。這時，轉(zhuǎn)子或試樣架的構(gòu)件，除了高導(dǎo)電性外，還需要輕量性、高強(qiáng)度、高熱傳導(dǎo)性等。因此，在本實施例中，作為滿足這些條件的材料，選擇炭化硅，就各種炭化硅陶瓷構(gòu)件的加熱升溫特性進(jìn)行了試驗。
(2)試驗樣品的物理性質(zhì)作為試驗樣品，準(zhǔn)備了導(dǎo)電性極大不同的3種(表4)。特別是樣品A是導(dǎo)電性最高的低電阻材質(zhì)，樣品C是導(dǎo)電性最低的高電阻材質(zhì)。樣品全部都是由熱壓法制作的(制造廠家屋久島電工(株))。樣品尺寸為20mm×20mm×10mmt，表4所示的是樣品物理性質(zhì)值。
(3)試驗方法作為感應(yīng)加熱試驗(加熱升溫測試)，使熱電偶接觸樣品表面，以升溫速度200℃/min為標(biāo)準(zhǔn)，控制感應(yīng)加熱裝置(最大輸出功率30kW，頻率60～70kHe)的輸出功率，用熱電偶測量樣品表面溫度。圖7所示的是感應(yīng)加熱試驗的概要。
(4)試驗結(jié)果圖8所示的是加熱升溫測試結(jié)果。橫軸是經(jīng)過時間，縱軸是樣片表面溫度。電阻較小的低電阻樣品A，使用最大負(fù)載電功率3.9kW就可達(dá)到200℃/min的升溫速度。另一方面可知，電阻較大的高電阻樣品C，即使使用最大負(fù)載電功率10kW也只能達(dá)到10℃/min的升溫速度。由此可見，被加熱物的電阻影響很大。
(5)轉(zhuǎn)子或試樣架的材質(zhì)由上述試驗可以認(rèn)為，作為轉(zhuǎn)子或試樣架的材質(zhì)，加熱輸出功率小，可高速升溫的低電阻炭化硅是比較合適的。
實施例2這是用與表4所示的氮化硅制樣品具有相同尺寸的炭化硅陶瓷構(gòu)成轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸的離心燒結(jié)裝置，使用該離心燒結(jié)裝置，在加熱環(huán)境溫度1200℃的條件下以轉(zhuǎn)數(shù)30,000min-1旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，也沒有發(fā)生熱變形引起的旋轉(zhuǎn)振動，確認(rèn)了可順利地進(jìn)行高速運轉(zhuǎn)。此外，驗證了從共振轉(zhuǎn)數(shù)附近的轉(zhuǎn)數(shù)32,000min-1開始發(fā)生了振動，與預(yù)測一樣。
表4

實施例3在本實施例中，使用了內(nèi)置試樣架的、用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷(與實施例1所示的樣品A相同的材質(zhì))構(gòu)成高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，以及用氮化硅陶瓷構(gòu)成轉(zhuǎn)軸的離心燒結(jié)裝置。轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸的尺寸與表3所示的氮化硅制的相同。在該裝置中，一邊以轉(zhuǎn)數(shù)30,000min-1使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，一邊使用最大輸出功率為30kW、頻率為70kHz的感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)加熱線圈選擇性地只使轉(zhuǎn)子自己發(fā)熱對裝配在試樣架上的試樣進(jìn)行間接加熱，以800℃/hr的升溫速度加熱至1200℃，保溫2小時。結(jié)果，試樣架及試樣被間接加熱至1200℃。連續(xù)3小時運轉(zhuǎn)的結(jié)果，可以確認(rèn)可以順利地運轉(zhuǎn)。圖9所示的是進(jìn)行試驗的裝置的系統(tǒng)整體構(gòu)成圖。
實施例4在本實施例中，使用了內(nèi)置試樣架的、用氮化硅陶瓷構(gòu)成高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸，以及用炭化硅陶瓷構(gòu)成試樣架的離心燒結(jié)裝置。轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸的尺寸與表3所示的氮化硅制的相同。在該裝置中，一邊以轉(zhuǎn)數(shù)30,000min-1使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，一邊使用最大輸出功率為10kW、頻率為70kHz的感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)加熱線圈選擇性地只使試樣架自己發(fā)熱對裝配在該試樣架上的試樣進(jìn)行間接加熱，以1200℃/hr的升溫速度加熱至1200℃，保溫2小時。連續(xù)3小時運轉(zhuǎn)的結(jié)果，可以確認(rèn)可以順利地運轉(zhuǎn)。
實施例5在本實施例中，使用了用電絕緣性的氮化硅陶瓷構(gòu)成使試樣架高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸，以及用介質(zhì)損耗大的材料的炭化硅陶瓷構(gòu)成試樣架的離心燒結(jié)裝置。另外，作為介質(zhì)加熱手段，使用了輸出功率為5kW的工業(yè)用微波加熱裝置。在試樣架上裝配了試樣，利用介質(zhì)加熱選擇性地只使試樣架自己發(fā)熱對試樣進(jìn)行間接加熱，以1200℃/hr的升溫速度加熱至800℃，保溫1小時。除把加熱手段設(shè)為介質(zhì)加熱外，其他內(nèi)容與實施例4相同。結(jié)果，試樣架及試樣被間接加熱至800℃。連續(xù)3小時運轉(zhuǎn)的結(jié)果，可以確認(rèn)可以順利地運轉(zhuǎn)。
產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用可能性正如以上詳細(xì)所示，本發(fā)明是有關(guān)用于離心燒結(jié)裝置的由轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或試樣架組成的構(gòu)件，利用本發(fā)明，可以在以下方面達(dá)到特別的效果1)通過用氮化硅或炭化硅陶瓷構(gòu)成使試樣架高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸，可以做成即使在300～1200℃的環(huán)境溫度條件下產(chǎn)生幾十萬G的離心力也不會熱變形，不會因為熱應(yīng)力而破損，耐久性優(yōu)異的裝置；2)通過用炭化硅陶瓷構(gòu)成使試樣架高溫高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子以及/或者試樣架，以及用氮化硅陶瓷構(gòu)成轉(zhuǎn)軸，可以使用感應(yīng)加熱手段或介質(zhì)加熱手段，通過使轉(zhuǎn)子或試樣架進(jìn)行自己發(fā)熱以選擇性地加熱試樣，由此可以進(jìn)行有效的燒結(jié)；3)通過至少在轉(zhuǎn)子及試驗架的一部分上使用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷材料，可選擇性地對試樣進(jìn)行加熱，在離心燒結(jié)操作及能源負(fù)載方面，可以進(jìn)行高精度及高效率的燒結(jié)。
權(quán)利要求
1.一種離心燒結(jié)裝置的陶瓷構(gòu)件，其是在由陶瓷或金屬粉體組成的成型體、或陶瓷前體膜上附加離心力場及溫度場的離心燒結(jié)裝置所使用的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架組成的構(gòu)件，用陶瓷構(gòu)成使試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架，即使在300～1200℃的環(huán)境溫度條件下附加10～700,000G的離心力，也不發(fā)生熱變形，不會因為熱應(yīng)力而破損。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用氮化硅或炭化硅陶瓷構(gòu)成使上述試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成使上述試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，并使用感應(yīng)加熱手段通過選擇性地只使轉(zhuǎn)子自己發(fā)熱而間接加熱試樣。
4.如權(quán)利要求1或2所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用介質(zhì)損耗大的材料構(gòu)成上述試樣架，使用介質(zhì)加熱手段通過選擇性地只使試樣架發(fā)熱而間接加熱試樣。
5.如權(quán)利要求4所述的陶瓷構(gòu)件，其特征在于，用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成上述試樣架。
6.一種離心燒結(jié)裝置，其特征在于，作為構(gòu)成要素包含權(quán)利要求1至5中任意一項所述的陶瓷構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明提供離心燒結(jié)裝置的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架，本發(fā)明有關(guān)在由陶瓷或金屬粉體組成的成型體或陶瓷前體膜附加離心力場及溫度場的離心燒結(jié)裝置所使用的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架組成的構(gòu)件，其中以用陶瓷構(gòu)成了使試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸或者試樣架為特征的離心燒結(jié)裝置的陶瓷構(gòu)件，用導(dǎo)電性炭化硅陶瓷構(gòu)成使上述試樣架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子并使用感應(yīng)加熱手段通過選擇性地只使轉(zhuǎn)子自己發(fā)熱而間接加熱試樣的上述陶瓷構(gòu)件，用介質(zhì)損耗大的材料構(gòu)成上述試樣架并使用介質(zhì)加熱手段通過選擇性地只使試樣架發(fā)熱而間接加熱試樣的上述陶瓷構(gòu)件。
文檔編號F27B17/00GK1732060SQ200380107530
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者渡利廣司, 杵鞭義明, 內(nèi)村勝次, 石黑裕之, 森光英樹 申請人:獨立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所, 新東V－Cerax株式會社