JP2000193241A - 窒化珪素質焼結体及びそれを用いたセラミックヒ―タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼結体の原料粉末の分解、炭化が抑えられ、
表層まで十分に緻密化された窒化珪素質焼結体と、それ
を用いたセラミックヒータを提供する。 【解決手段】 ホットプレス法による焼結において、離
型剤に窒化珪素質焼結体の原料粉末と同様の組成であっ
て、その組成を構成する粉末の全て又は一部の成分を含
有させることによって、成形型近傍の原料粉末の分解や
炭化等が抑えられ、表層まで十分に緻密化された窒化珪
素質焼結体とすることができる。また、従来必要であっ
た緻密化が阻害された表層を研磨除去する工程が必要な
く、工程を短縮することができる。更に、黒鉛製の成形
型を用いた場合であっても、その表層まで十分に緻密化
した窒化珪素質焼結体とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化珪素質焼結体、
及びこの窒化珪素質焼結体を基体とするセラミックヒー
タに関する。更に詳しくは、本発明は、窒化珪素質焼結
体の内部ばかりでなく、成形型と接する表層も十分に緻
密化された窒化珪素質焼結体、及びこの窒化珪素質焼結
体を基体とし、ディーゼルエンジンのグロープラグの加
熱源等、各種の用途において用いることができるセラミ
ックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ホットプレス法によって窒化
珪素質焼結体を製造する場合、黒鉛、及び炭化珪素等か
らなる成形型が使用されている。また、これら材質の成
形型のうちでは、特に、精密加工が容易である黒鉛製の
成形型が用いられることが多い。しかし、この黒鉛製の
成形型を用いた場合は、生成する一酸化炭素によって焼
成雰囲気が還元雰囲気となる。この一酸化炭素によっ
て、成形型近傍の窒化珪素質焼結体の原料粉末が反応を
起こし、窒化珪素質焼結体が成形型に固着しやすくな
る。このため、窒化硼素等の離型剤を成形型に塗布する
ことが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】また、上記還元雰囲気
によって、成形型の表面近傍の原料粉末に含まれる窒化
珪素粉末が分解したり、炭化等を起こす傾向にある。更
に、酸化物等として配合される焼結助剤粉末も炭化等を
起こすことがある。このような窒化珪素粉末等の分解或
いは炭化等により、得られる焼結体の表層（図４におい
てＰ−Ｐ’で表わされる範囲）の緻密化が阻害され、機
械的強度や耐酸化性等の窒化珪素質焼結体の諸特性が低
下することが問題となっている。また、このような窒化
珪素質焼結体では、表面の研磨を行うことで緻密度の低
い部分を除去する工程が必要となり、所定形状の焼結体
を効率よく得ることができない。更に、黒鉛製でない成
形型であっても、カーボンを発熱体とする焼成炉を使用
した場合等では、この焼成炉から生成する一酸化炭素に
よって同様の問題が引き起こされる。

【０００４】本発明は、上記の従来の問題点を解決する
ものであり、焼結体の原料粉末の分解、炭化を抑え、表
層まで十分に緻密化した窒化珪素質焼結体を提供するこ
とを目的とする。また、この窒化珪素質焼結体を基体と
するセラミックヒータを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本第１発明の窒化珪素質
焼結体は、窒化珪素粉末及び焼結助剤粉末のうちの少な
くとも一方を含む離型剤が塗布された成形型を用い、ホ
ットプレス法によって製造されることを特徴とする。

【０００６】上記「焼結助剤粉末」は、窒化珪素質焼結
体の焼成において通常用いられる種類の粉末であれば、
任意に選択することができる。この例として、ＭｇＯ、
Ａｌ ₂Ｏ₃、及び希土類元素の酸化物等を少なくとも一種
含む粉末を挙げることができる。尚、この窒化珪素質焼
結体は窒化珪素を主成分とする焼結体であり、サイアロ
ン等からなる他の焼結成分を含有していてもよい。

【０００７】上記「離型剤」は、上記「成形型」と窒化
珪素粉末と焼結助剤粉末とからなる上記「原料粉末」と
の反応を防止する為に用いられ、第２発明に示すよう
に、窒化硼素粉末を主成分とするものが好ましい。ま
た、この離型剤に含有される窒化珪素粉末及び焼結助剤
粉末は、窒化珪素質焼結体を得る為の原料粉末として用
いられるものと同じものであってもよいし、異なるもの
であってもよい。また、窒化珪素粉末及び焼結助剤粉末
の一方だけとすることができるし、共に使用することも
できる。

【０００８】更に、窒化硼素粉末と窒化珪素粉末及び／
又は焼結助剤粉末との体積比は、第２発明に示すよう
に、１：０．０５〜２．０（より好ましくは１：０．１
０〜１．０）であることが好ましい。窒化珪素粉末及び
／又は焼結助剤粉末を０．０５未満の比で含有する場合
は、緻密化の阻害を防止する効果がほとんど得られず好
ましくないからである。また、２．０を超える比で含有
する場合は、これらの粉末が分解或いは炭化した生成物
が付着して焼結した窒化珪素質焼結体となりやすく、窒
化硼素が少なくなる為に、離型効果が減少するので好ま
しくないからである。更に、上記「体積比」は、離型剤
調合時の各粉末重量をそれぞれ各粉末の密度で割ること
で求めた各粉末の体積の比である。

【０００９】離型剤に含有される窒化珪素粉末及び／又
は焼結助剤粉末は、一酸化炭素等による還元雰囲気下で
の焼結時に、成形型近傍に含有される原料粉末に代わっ
て自らが分解や炭化等をすることで一酸化炭素を消費す
る。これによって、窒化珪素質焼結体の原料粉末である
窒化珪素粉末や焼結助剤粉末の分解、炭化等が抑えら
れ、表層まで十分に緻密化した窒化珪素質焼結体を製造
することができる。また、この離型剤を成形型に塗布す
る方法は任意に選択することができる。例えば、この離
型剤は粉末にアルコール等の溶媒を添加して、ペースト
状等として塗布することができる。

【００１０】本窒化珪素質焼結体は、特に、第３発明に
示すように、成形型が黒鉛製であってもその表層は十分
に緻密化される。また、この成形型の材質が炭化珪素等
であって、焼成炉等の材質等、他の原因によって還元雰
囲気になった場合にも、その表層の緻密化が阻害され
ず、十分に緻密化される。

【００１１】本第４発明のセラミックヒータは、基体と
発熱抵抗体とを備えるセラミックヒータにおいて、該基
体が請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の窒化
珪素質焼結体からなることを特徴とする。このセラミッ
クヒータの構成については以下の発明の実施の形態及び
図面によって詳しく説明する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の窒化珪素質焼結体
と、この窒化珪素質焼結体を基体とするセラミックヒー
タをより詳しく説明する。 （１）セラミックヒータの作製 窒化珪素粉末に焼結助剤粉末を配合し、４０時間湿式混
合したものをスプレードライヤー法によって造粒した。
この造粒物中に、ＷＣ粉末、窒化珪素粉末及び焼結助剤
粉末を含有し、Ｕ字状である未焼結ヒータ本体を埋入し
た後、一体にプレス成形を行うことで未焼結セラミック
ヒータを得た。尚、上記ＷＣ粉末は導電性を備える他の
物質（例えば、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＮ等）とすることがで
きる。次いで、この未焼結セラミックヒータを６００
℃、約２時間で仮焼してバインダーを除去し、仮焼体を
得た。

【００１３】また、予め、ホットプレスに用いる黒鉛製
の成形型の表面に離型剤を塗布した。この離型剤は主成
分である窒化硼素粉末と、上記造粒物に用いたものと同
じ窒化珪素粉末及び焼結助剤粉末、又は焼結助剤粉末の
みと、バインダーとをエタノールで混合したペースト状
物である。このような成形型を用いて、仮焼体を窒素等
による不活性雰囲気下のホットプレスによって焼結し、
セラミックヒータを作製した。

【００１４】（２）セラミックヒータの構成 （１）の製造方法で作製したセラミックヒータ２を図２
に示す。また、本セラミックヒータ２を用いたグロープ
ラグ１を図１に示す。このグロープラグ１は、発熱する
部位となる先端側にセラミックヒータ２を備える。ま
た、このセラミックヒータ２は、基体２１と、発熱抵抗
体２２と、給電部２３ａ、２３ｂとを備える。

【００１５】基体２１は窒化珪素を主成分としたセラミ
ックスであり、埋設される発熱抵抗体２２、及び給電部
２３ａ、２３ｂを保護する。また、発熱抵抗体２２はＵ
字形の棒状体であり、基体２１内に埋設される形で配設
されている。また、給電部２３ａ、２３ｂは図２に示す
ように、セラミックヒータ２外から供給される電力を基
体２１内の発熱抵抗体２２へ給電できるように、各一端
は基体２１の表面に配設され、各他端は発熱抵抗体２２
の各端部に接続されている。

【００１６】（３）窒化珪素焼結体の緻密性の評価 （１）の製造方法で作製したセラミックヒータの表層の
緻密性を評価した。始めに、離型剤に含有させる窒化珪
素粉末若しくは焼結助剤粉末の含有量を様々に変えて焼
成した窒化珪素焼結体を作製し、その緻密化が阻害され
た表層の厚みを求め、その結果を表１に示した。この評
価に用いた焼結助剤は、窒化珪素焼結体の原料粉末と同
様のＥｒ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂である。また、離型剤中の窒
化珪素粉末及び焼結助剤粉末の含有比は窒化珪素焼結体
原料粉末と同じである。更に、窒化硼素に対しての窒化
珪素粉末及び焼結助剤粉末の体積比は、表１に示すとお
りである。また、ホットプレスの条件は、１８００℃、
３００ｋｇ／ｃｍ²とした。更に、緻密化阻害層の厚み
は得られた窒化珪素焼結体の断面をＳＥＭにより観察す
ることで求めた。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１の結果によれば、離型剤に窒化珪素粉
末及び焼結助剤粉末を適量に含有させることによって
（実験例２〜５）、緻密化阻害層のない窒化珪素焼結体
を得ることができた（図３参照）。一方、離型剤に上記
各粉末を含有させなかった場合は、実験例６に示すよう
に窒化珪素焼結体の表層に１５０〜３００μｍの緻密化
阻害層が生じた（図４参照）。また、離型剤に含有させ
る上記各粉末の比を１：３にした場合は、実験例１に示
すように窒化珪素焼結体と成形型との間で固着を生じ、
離型性が損なわれた。

【００１９】更に、離型剤に含有させる粉末の組成を様
々に変えて焼成した窒化珪素焼結体を作製し、その緻密
化が阻害された表層の厚みを求め、その結果を表２に示
した。上記粉末の組成比は、原料粉末と同じ比率とした
ものを用いた。また、いずれの実験例においても窒化硼
素粉末と窒化珪素粉末及び焼結助剤粉末との体積比を
１：０．２５とした。更に、ホットプレスの条件は、３
００ｋｇ／ｃｍ²とした。また、緻密化阻害層の厚みは
得られた窒化珪素焼結体の断面をＳＥＭにより観察する
ことで求めた。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２の結果によれば、窒化珪素粉末及び焼
結助剤粉末又は焼結助剤粉末のみを離型剤に含有させる
ことによって、実験例８、１１及び１２では緻密化阻害
層のない窒化珪素焼結体を得ることができた。また、実
験例１０では、上記各粉末を含有させない実験例９と比
べて緻密化阻害層の厚みを減少させることができた。こ
のように、緻密化阻害層が残存するのは、焼成温度が１
８００℃と高温であるために窒化珪素が分解し、緻密な
焼結が阻害され易いためであると考えられる。また、図
５に及び図６に、実験例９及び１２のＳｉ並びにＥｒに
ついてのＥＰＭＡマッピング写真を示す。離型剤に上記
各粉末を含有させない実験例９の場合は、図５に示すよ
うに、窒化珪素焼結体の表面のＳｉ及びＥｒの含有量が
表面に向かう程少なくなっている（上方の表面に向かう
程、暗色となっている。）のに対し、上記各粉末を含有
させた実験例１２では、図６に示すように、Ｓｉ及びＥ
ｒの含有量は表面からの深さに関わらず略一定であるこ
とがわかる（濃淡の変化が少ない。）。

【００２２】以上より、離型剤に窒化珪素焼結体の原料
粉末と同様の組成であって、その組成を構成する粉末の
全て又は一部の成分を含有させることによって、焼結し
た窒化珪素焼結体の表層の緻密性の低下を防ぎ、深層か
ら表層まで均質である窒化珪素焼結体を製造できること
が確認できた。

【００２３】尚、本発明においては、上記実施例に限ら
ず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した
実施例とすることができる。即ち、本発明のセラミック
ヒータの用途はグロープラグに限らず、暖房用等の各種
ヒータにも使用することができる。また、本発明の窒化
珪素質焼結体は、ホットプレス法を用いる他の用途（耐
火物、工具等）に用いることもできる。

【００２４】

【発明の効果】本第１発明の窒化珪素質焼結体によれ
ば、ホットプレス法による焼結を行っても、成形型近傍
の原料粉末の分解や炭化等が抑えられ、表層まで十分に
緻密化した窒化珪素質焼結体とすることができる。ま
た、従来必要であった緻密化が阻害された表層を研磨除
去する工程が必要なく、製造工程を短縮することができ
る。また、本第２発明に示すように黒鉛製の成形型を用
いた場合であっても、表層まで十分に緻密化した窒化珪
素質焼結体を製造することができる。

【００２５】更に、本第４発明のセラミックヒータは、
第１〜３発明の窒化珪素質焼結体を基体としているの
で、優れた性能を有しており、また、作製工程において
窒化珪素質焼結体の研磨工程が不要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミックヒータを用いたグロープラグを説明
するための断面図である。

【図２】セラミックヒータを説明するための断面図であ
る。

【図３】本窒化珪素焼結体（実験例３）の焼結状態を説
明するためのＳＥＭ写真である。

【図４】従来の窒化珪素質焼結体の焼結状態を説明する
ためのＳＥＭ写真である。

【図５】従来の窒化珪素焼結体（実験例９）の焼結状態
を説明するためのＳｉ及びＥｒについてのＥＰＭＡマッ
ピング写真である。

【図６】本窒化珪素焼結体（実験例１２）の焼結状態を
説明するためのＳｉ及びＥｒについてのＥＰＭＡマッピ
ング写真である。

【符号の説明】

１；グロープラグ、２；セラミックヒータ、２１；基
体、２２；発熱抵抗体、２３ａ、２３ｂ；給電部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化珪素粉末及び焼結助剤粉末のうちの
   少なくとも一方を含む離型剤が塗布された成形型を用
   い、ホットプレス法によって製造されることを特徴とす
   る窒化珪素質焼結体。
2. 【請求項２】 上記離型剤は窒化硼素粉末を主成分と
   し、該窒化硼素粉末と、上記窒化珪素粉末及び／又は上
   記焼結助剤粉末との体積比が１：０．０５〜２．０であ
   る請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
3. 【請求項３】 上記成形型が黒鉛製である請求項１又は
   ２記載の窒化珪素質焼結体。
4. 【請求項４】 基体と発熱抵抗体とを備えるセラミック
   ヒータにおいて、該基体が請求項１乃至３のうちのいず
   れか一項に記載の窒化珪素質焼結体からなることを特徴
   とするセラミックヒータ。