JP2001130967A - 窒化珪素質焼結体、その製造方法及び該窒化珪素質焼結体を用いたセラミックヒータ並びに該セラミックヒータを備えるグロープラグ - Google Patents
窒化珪素質焼結体、その製造方法及び該窒化珪素質焼結体を用いたセラミックヒータ並びに該セラミックヒータを備えるグロープラグInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 品質の安定した窒化珪素質焼結体、その製造
方法、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、並びにこのセラミックヒータを加熱源とする
グロープラグを提供する。 【解決手段】 ホットプレス法による窒化珪素質焼結体
の製造において、原料に還元雰囲気遮蔽剤を配合する。
還元雰囲気遮蔽剤としては、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ等の単体、
及びこれらの金属元素の窒化物、珪化物等の化合物を使
用することができる。これらの単体及び化合物は、焼結
助剤の還元に優先して炭化され、それによって、特に、
黒鉛製の加圧用ダイスを用いた場合に生成する一酸化炭
素等による還元雰囲気における焼結助剤の還元が抑えら
れる。また、この窒化珪素質焼結体により基体が形成さ
れ、この基体に発熱抵抗体が埋設されたセラミックヒー
タ、及びこのセラミックヒータを加熱源として備えるグ
ロープラグを得る。
方法、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、並びにこのセラミックヒータを加熱源とする
グロープラグを提供する。 【解決手段】 ホットプレス法による窒化珪素質焼結体
の製造において、原料に還元雰囲気遮蔽剤を配合する。
還元雰囲気遮蔽剤としては、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ等の単体、
及びこれらの金属元素の窒化物、珪化物等の化合物を使
用することができる。これらの単体及び化合物は、焼結
助剤の還元に優先して炭化され、それによって、特に、
黒鉛製の加圧用ダイスを用いた場合に生成する一酸化炭
素等による還元雰囲気における焼結助剤の還元が抑えら
れる。また、この窒化珪素質焼結体により基体が形成さ
れ、この基体に発熱抵抗体が埋設されたセラミックヒー
タ、及びこのセラミックヒータを加熱源として備えるグ
ロープラグを得る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化珪素質焼結体、
その製造方法、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、並びにこのセラミックヒータを備え
るグロープラグに関する。更に詳しくは、本発明は、焼
成時の炭素成分による還元雰囲気における酸化珪素等の
焼結助剤の還元が抑えられ、品質が安定しており、ばら
つきの少ない優れた抗折強度等を有し、表層まで十分に
緻密化された窒化珪素質焼結体と、その製造方法に関す
る。また、この窒化珪素質焼結体を基体とし、各種の用
途において用いることができ、強度及び抵抗値等のばら
つきの少ないセラミックヒータ、並びにこのセラミック
ヒータを加熱源として備えるディーゼルエンジンのグロ
ープラグに関する。
その製造方法、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、並びにこのセラミックヒータを備え
るグロープラグに関する。更に詳しくは、本発明は、焼
成時の炭素成分による還元雰囲気における酸化珪素等の
焼結助剤の還元が抑えられ、品質が安定しており、ばら
つきの少ない優れた抗折強度等を有し、表層まで十分に
緻密化された窒化珪素質焼結体と、その製造方法に関す
る。また、この窒化珪素質焼結体を基体とし、各種の用
途において用いることができ、強度及び抵抗値等のばら
つきの少ないセラミックヒータ、並びにこのセラミック
ヒータを加熱源として備えるディーゼルエンジンのグロ
ープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素質焼結体は、昇温時に生成する
焼結助剤からなる液相の作用によって焼結される。そし
て、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3、ＲＥ2Ｏ3（ＲＥは希土
類元素である。）等の主たる焼結助剤と、窒化珪素原料
に含まれ、補助的な焼結助剤となるＳｉＯ2との組成比
により、生成する液相の融点が変化することが知られて
いる。また、この融点の変化によって、焼結性が大きく
影響を受け、得られる焼結体の品質が変動する。
焼結助剤からなる液相の作用によって焼結される。そし
て、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3、ＲＥ2Ｏ3（ＲＥは希土
類元素である。）等の主たる焼結助剤と、窒化珪素原料
に含まれ、補助的な焼結助剤となるＳｉＯ2との組成比
により、生成する液相の融点が変化することが知られて
いる。また、この融点の変化によって、焼結性が大きく
影響を受け、得られる焼結体の品質が変動する。
【０００３】この窒化珪素質焼結体をホットプレス法に
よって製造する場合、一般に、加圧用ダイスとして黒鉛
製のものが用いられるため、焼成雰囲気が還元雰囲気と
なる。そのため、酸化物である焼結助剤、特に酸化珪素
の一部が還元され、焼結助剤の組成比が変化する。その
結果、上記のように焼結性が大きく影響を受け、同一焼
成ロット内、或いは焼成ロット間における品質のばらつ
きを生じ、安定した物性等を有する焼結体を得ることは
容易ではない。更に、加圧用ダイス近傍における焼結性
が損なわれ、表層まで十分に緻密化された窒化珪素質焼
結体が得られないこともある。
よって製造する場合、一般に、加圧用ダイスとして黒鉛
製のものが用いられるため、焼成雰囲気が還元雰囲気と
なる。そのため、酸化物である焼結助剤、特に酸化珪素
の一部が還元され、焼結助剤の組成比が変化する。その
結果、上記のように焼結性が大きく影響を受け、同一焼
成ロット内、或いは焼成ロット間における品質のばらつ
きを生じ、安定した物性等を有する焼結体を得ることは
容易ではない。更に、加圧用ダイス近傍における焼結性
が損なわれ、表層まで十分に緻密化された窒化珪素質焼
結体が得られないこともある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
の問題点を解決するものであり、特に、黒鉛製の加圧用
ダイスを用いた場合など、炭素成分によって焼成雰囲気
が還元雰囲気となることによる焼結助剤の還元が抑えら
れ、品質が安定しており、ばらつきの少ない優れた抗折
強度等を有し、且つ表層まで十分に緻密化された窒化珪
素質焼結体と、その製造方法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して有し、強
度及び抵抗値等のばらつきの少ないセラミックヒータ、
並びにこのセラミックヒータを加熱源として備えるグロ
ープラグを提供することを目的とする。
の問題点を解決するものであり、特に、黒鉛製の加圧用
ダイスを用いた場合など、炭素成分によって焼成雰囲気
が還元雰囲気となることによる焼結助剤の還元が抑えら
れ、品質が安定しており、ばらつきの少ない優れた抗折
強度等を有し、且つ表層まで十分に緻密化された窒化珪
素質焼結体と、その製造方法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して有し、強
度及び抵抗値等のばらつきの少ないセラミックヒータ、
並びにこのセラミックヒータを加熱源として備えるグロ
ープラグ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】第１発明の窒化珪素質焼
結体は、ホットプレス焼成時の炭素成分による還元雰囲
気における焼結助剤の還元を抑えるための還元雰囲気遮
蔽剤が炭化されてなる炭化物を含有することを特徴とす
る。尚、この窒化珪素質焼結体は、窒化珪素のみからな
る焼結体であってもよいし、サイアロン等、窒素元素、
珪素元素以外の元素を含む焼結体であってもよい。
結体は、ホットプレス焼成時の炭素成分による還元雰囲
気における焼結助剤の還元を抑えるための還元雰囲気遮
蔽剤が炭化されてなる炭化物を含有することを特徴とす
る。尚、この窒化珪素質焼結体は、窒化珪素のみからな
る焼結体であってもよいし、サイアロン等、窒素元素、
珪素元素以外の元素を含む焼結体であってもよい。
【０００６】上記「還元雰囲気遮蔽剤」（以下、「遮蔽
剤」という。）としては、ホットプレス焼成時の還元雰
囲気において、上記「焼結助剤」（第１発明では、この
焼結助剤なる用語は、焼結助剤として添加される希土類
酸化物及びＡｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3等の他、不純物として窒化
珪素原料に含まれる酸素及び焼成時に焼結助剤として作
用する各種酸化物をも意味するものとする。）の還元に
優先して自らが炭化されるものを使用することができ
る。また、ホットプレス焼成の温度は、通常、１７５０
〜１８５０℃と高いため、遮蔽剤は、この焼成時の温度
を越える高い融点を有するものであることが好ましい。
更に、遮蔽剤そのもの、或いは生成する上記「炭化物」
等が、窒化珪素質焼結体の抗折強度等、品質を損なわな
いものが好ましい。この遮蔽剤を使用することにより、
焼結助剤の炭素との反応が抑えられ、焼結助剤の組成比
の変化が抑制され、品質の安定した焼結体とすることが
できる。更に、表層まで十分に緻密化した焼結体とする
ことができる。
剤」という。）としては、ホットプレス焼成時の還元雰
囲気において、上記「焼結助剤」（第１発明では、この
焼結助剤なる用語は、焼結助剤として添加される希土類
酸化物及びＡｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3等の他、不純物として窒化
珪素原料に含まれる酸素及び焼成時に焼結助剤として作
用する各種酸化物をも意味するものとする。）の還元に
優先して自らが炭化されるものを使用することができ
る。また、ホットプレス焼成の温度は、通常、１７５０
〜１８５０℃と高いため、遮蔽剤は、この焼成時の温度
を越える高い融点を有するものであることが好ましい。
更に、遮蔽剤そのもの、或いは生成する上記「炭化物」
等が、窒化珪素質焼結体の抗折強度等、品質を損なわな
いものが好ましい。この遮蔽剤を使用することにより、
焼結助剤の炭素との反応が抑えられ、焼結助剤の組成比
の変化が抑制され、品質の安定した焼結体とすることが
できる。更に、表層まで十分に緻密化した焼結体とする
ことができる。
【０００７】融点が高い遮蔽剤としては、第２発明のよ
うに、Ｔａ、Ｗ及びＭｏ並びにこれらの各々の化合物の
うちの少なくとも１種が挙げられる。これらのうち、好
ましい遮蔽剤としては、Ｗの他、ＴａＮ、ＭｏＳｉ
2等、還元雰囲気において炭化され易い単体並びに窒化
物及び珪化物などを挙げることができる。これらの単体
又は化合物が焼成時の還元雰囲気によって炭化物に変化
することは、焼結体のＸ線回折によって容易に確認する
ことができる。
うに、Ｔａ、Ｗ及びＭｏ並びにこれらの各々の化合物の
うちの少なくとも１種が挙げられる。これらのうち、好
ましい遮蔽剤としては、Ｗの他、ＴａＮ、ＭｏＳｉ
2等、還元雰囲気において炭化され易い単体並びに窒化
物及び珪化物などを挙げることができる。これらの単体
又は化合物が焼成時の還元雰囲気によって炭化物に変化
することは、焼結体のＸ線回折によって容易に確認する
ことができる。
【０００８】また、焼結助剤のうちでも酸化珪素は、特
に還元され易い。そのため、第３発明のように、焼結助
剤として酸化珪素を含み、遮蔽剤として、酸化珪素より
炭化され易い金属単体及び／又は金属化合物を使用する
ことが好ましい。この第３発明における遮蔽剤として
は、第２発明におけると同様のものを用いることができ
る。酸化珪素は、焼結性を十分に向上させるためには、
窒化珪素原料と焼結助剤との合計量において、通常、３
〜１０モル％含有される。遮蔽剤は、この程度の酸化珪
素を含有する原料を使用する場合に、十分な還元抑制の
作用が得られる配合量とすることが好ましい。
に還元され易い。そのため、第３発明のように、焼結助
剤として酸化珪素を含み、遮蔽剤として、酸化珪素より
炭化され易い金属単体及び／又は金属化合物を使用する
ことが好ましい。この第３発明における遮蔽剤として
は、第２発明におけると同様のものを用いることができ
る。酸化珪素は、焼結性を十分に向上させるためには、
窒化珪素原料と焼結助剤との合計量において、通常、３
〜１０モル％含有される。遮蔽剤は、この程度の酸化珪
素を含有する原料を使用する場合に、十分な還元抑制の
作用が得られる配合量とすることが好ましい。
【０００９】更に、焼結助剤として希土類酸化物と酸化
珪素が含まれ、且つそれらの還元が十分に抑えられるこ
とにより、第４発明のように、その粒界相等が、ＲＥ2
ＳｉＯ5及びＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7のうちの少なくとも一方を有
する窒化珪素質焼結体を効率よく得ることができる。こ
れら融点の高い化合物を十分に生成させるためには、窒
化珪素原料と焼結助剤との合計量において、希土類酸化
物は１〜５モル％、特に２〜４モル％、酸化珪素は３〜
１０モル％、特に５〜８モル％含有されることが好まし
い。
珪素が含まれ、且つそれらの還元が十分に抑えられるこ
とにより、第４発明のように、その粒界相等が、ＲＥ2
ＳｉＯ5及びＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7のうちの少なくとも一方を有
する窒化珪素質焼結体を効率よく得ることができる。こ
れら融点の高い化合物を十分に生成させるためには、窒
化珪素原料と焼結助剤との合計量において、希土類酸化
物は１〜５モル％、特に２〜４モル％、酸化珪素は３〜
１０モル％、特に５〜８モル％含有されることが好まし
い。
【００１０】ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7等は、高温の酸化雰囲気に
おいても安定であり、グロープラグ等の各種のヒータ等
の基体など、酸化雰囲気に晒される用途においても使用
することができる。これら融点の高い化合物の生成は、
焼結体のＸ線回折によって容易に確認することができ
る。
おいても安定であり、グロープラグ等の各種のヒータ等
の基体など、酸化雰囲気に晒される用途においても使用
することができる。これら融点の高い化合物の生成は、
焼結体のＸ線回折によって容易に確認することができ
る。
【００１１】第１乃至第４発明の窒化珪素質焼結体の、
ＪＩＳ Ｒ １６０１に準じて測定した抗折強度は、１
０００〜１４００ＭＰａとすることができ、１１００〜
１４００ＭＰａ、特に１１５０〜１４００ＭＰａ、更に
は１２００〜１４００ＭＰａとすることができる。ま
た、抗折強度の最少値と平均値との差は、１５０ＭＰａ
以下とすることができ、１００ＭＰａ以下、特に７５Ｍ
Ｐａ以下、更には５０ＭＰａ以下とすることができる。
更に、抗折強度の平均値と最小値との差の平均値に対す
る割合は、１５％以下とすることができ、１０％以下、
特に７％以下、更には５％以下とすることができ、３％
以下とすることもできる。また、抗折強度の最少値と最
大値との差は、２５０ＭＰａ以下とすることができ、２
００ＭＰａ以下、特に１６０ＭＰａ以下、更には１３０
ＭＰａ以下とすることができる。
ＪＩＳ Ｒ １６０１に準じて測定した抗折強度は、１
０００〜１４００ＭＰａとすることができ、１１００〜
１４００ＭＰａ、特に１１５０〜１４００ＭＰａ、更に
は１２００〜１４００ＭＰａとすることができる。ま
た、抗折強度の最少値と平均値との差は、１５０ＭＰａ
以下とすることができ、１００ＭＰａ以下、特に７５Ｍ
Ｐａ以下、更には５０ＭＰａ以下とすることができる。
更に、抗折強度の平均値と最小値との差の平均値に対す
る割合は、１５％以下とすることができ、１０％以下、
特に７％以下、更には５％以下とすることができ、３％
以下とすることもできる。また、抗折強度の最少値と最
大値との差は、２５０ＭＰａ以下とすることができ、２
００ＭＰａ以下、特に１６０ＭＰａ以下、更には１３０
ＭＰａ以下とすることができる。
【００１２】本発明では、このように十分に大きな抗折
強度が安定して得られ、特に、抗折強度の最少値が大き
く低下することのない、品質の安定した窒化珪素質焼結
体とすることができる。
強度が安定して得られ、特に、抗折強度の最少値が大き
く低下することのない、品質の安定した窒化珪素質焼結
体とすることができる。
【００１３】第５発明の窒化珪素質焼結体の製造方法
は、窒化珪素原料粉末、焼結助剤粉末及び遮蔽剤を含有
する原料を用いて成形体を得、該成形体を加圧用ダイス
に収納し、成形体が収納された該加圧用ダイスを焼成炉
に収容し、ホットプレス焼成することにより窒化珪素質
焼結体を製造する方法であって、上記加圧用ダイス及び
上記焼成炉のうちの少なくとも一方に含まれる炭素成分
による還元雰囲気において、上記遮蔽剤は炭化されて炭
化物となることを特徴とする。
は、窒化珪素原料粉末、焼結助剤粉末及び遮蔽剤を含有
する原料を用いて成形体を得、該成形体を加圧用ダイス
に収納し、成形体が収納された該加圧用ダイスを焼成炉
に収容し、ホットプレス焼成することにより窒化珪素質
焼結体を製造する方法であって、上記加圧用ダイス及び
上記焼成炉のうちの少なくとも一方に含まれる炭素成分
による還元雰囲気において、上記遮蔽剤は炭化されて炭
化物となることを特徴とする。
【００１４】上記「窒化珪素原料」としては、窒化珪素
粉末を主成分とし、これに少量の窒化アルミニウム、ア
ルミナ等の粉末を併用することもできる。更に、この窒
化珪素原料には不純物として酸素及び各種の酸化物が含
まれており、その含有量は、通常、０．５〜２重量％、
特に０．８〜１．５重量％である。また、上記「焼結助
剤粉末」として配合されるものとしては、希土類酸化物
粉末が多用されるが、ＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3等、
一般に窒化珪素質焼結体の焼成において用いられる酸化
物等の粉末を使用することもでき、酸化珪素粉末を用い
ることもできる。これらの焼結助剤は１種のみを使用し
てもよいが、２種以上が併用されることが多い。
粉末を主成分とし、これに少量の窒化アルミニウム、ア
ルミナ等の粉末を併用することもできる。更に、この窒
化珪素原料には不純物として酸素及び各種の酸化物が含
まれており、その含有量は、通常、０．５〜２重量％、
特に０．８〜１．５重量％である。また、上記「焼結助
剤粉末」として配合されるものとしては、希土類酸化物
粉末が多用されるが、ＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3等、
一般に窒化珪素質焼結体の焼成において用いられる酸化
物等の粉末を使用することもでき、酸化珪素粉末を用い
ることもできる。これらの焼結助剤は１種のみを使用し
てもよいが、２種以上が併用されることが多い。
【００１５】遮蔽剤としては第２及び第３発明における
と同様のものを使用することができ、その配合量は特に
限定されないが、窒化珪素原料と焼結助剤との合計量を
１００体積％とした場合に、１〜２０体積％とすること
ができ、１〜１５体積％、特に１〜１０体積％、更には
１〜５体積％とすることが好ましい。所要量を越える遮
蔽剤を配合した場合は、炭化しなかった遮蔽剤が、その
まま焼結体に含まれることになる。しかし、配合量が２
０体積％以下であれば、炭化しなかった遮蔽剤が、焼結
体の抗折強度等、及び緻密度などに大きな影響を及ぼす
ことはない。
と同様のものを使用することができ、その配合量は特に
限定されないが、窒化珪素原料と焼結助剤との合計量を
１００体積％とした場合に、１〜２０体積％とすること
ができ、１〜１５体積％、特に１〜１０体積％、更には
１〜５体積％とすることが好ましい。所要量を越える遮
蔽剤を配合した場合は、炭化しなかった遮蔽剤が、その
まま焼結体に含まれることになる。しかし、配合量が２
０体積％以下であれば、炭化しなかった遮蔽剤が、焼結
体の抗折強度等、及び緻密度などに大きな影響を及ぼす
ことはない。
【００１６】また、ホットプレス焼成時の温度、時間
等、焼成条件も特に制限はされず、通常の条件によって
焼成することができる。使用される加圧用ダイスとして
は、黒鉛製が多用されるが、炭化珪素等からなる加圧用
ダイスを用いることもできる。ホットプレス焼成時の還
元雰囲気は、黒鉛製の加圧用ダイスばかりでなく、焼成
炉などに含まれる炭素成分から生成する一酸化炭素等に
よっても形成されるが、上記の遮蔽剤によれば、いずれ
の場合にも十分な還元抑制の作用、効果が得られる。
等、焼成条件も特に制限はされず、通常の条件によって
焼成することができる。使用される加圧用ダイスとして
は、黒鉛製が多用されるが、炭化珪素等からなる加圧用
ダイスを用いることもできる。ホットプレス焼成時の還
元雰囲気は、黒鉛製の加圧用ダイスばかりでなく、焼成
炉などに含まれる炭素成分から生成する一酸化炭素等に
よっても形成されるが、上記の遮蔽剤によれば、いずれ
の場合にも十分な還元抑制の作用、効果が得られる。
【００１７】第６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、基体が
第１乃至第４発明のうちのいずれかの窒化珪素質焼結体
からなることを特徴とする。
熱抵抗体とを備えるセラミックヒータにおいて、基体が
第１乃至第４発明のうちのいずれかの窒化珪素質焼結体
からなることを特徴とする。
【００１８】上記「セラミックヒータ」の上記「基体」
は、第１乃至第４発明の窒化珪素質焼結体からなり、品
質が安定しており、優れた抗折強度等を有し、且つ表層
まで十分に緻密化されている。そのため、耐熱性及び耐
久性等に優れ、抗折強度及び抵抗値等のばらつきの小さ
い品質の安定したセラミックヒータとすることができ
る。更に、基体に含有される特定の炭化物によって熱膨
張率が大きくなるため、発熱抵抗体の熱膨張率との差が
小さくなって、基体、或いは発熱抵抗体における亀裂の
発生が抑えられる。尚、第１乃至第４発明の窒化珪素質
焼結体をセラミックヒータの基体として用いる場合、電
気絶縁性の観点から遮蔽剤の配合量は１５体積％以下と
することが望ましい。
は、第１乃至第４発明の窒化珪素質焼結体からなり、品
質が安定しており、優れた抗折強度等を有し、且つ表層
まで十分に緻密化されている。そのため、耐熱性及び耐
久性等に優れ、抗折強度及び抵抗値等のばらつきの小さ
い品質の安定したセラミックヒータとすることができ
る。更に、基体に含有される特定の炭化物によって熱膨
張率が大きくなるため、発熱抵抗体の熱膨張率との差が
小さくなって、基体、或いは発熱抵抗体における亀裂の
発生が抑えられる。尚、第１乃至第４発明の窒化珪素質
焼結体をセラミックヒータの基体として用いる場合、電
気絶縁性の観点から遮蔽剤の配合量は１５体積％以下と
することが望ましい。
【００１９】上記「発熱抵抗体」は絶縁成分と導電成分
により構成される。絶縁成分は、窒化珪素質焼結体から
なり、この焼結体は、実質的に窒化珪素のみからなる焼
結体であってもよいし、サイアロンであってもよい。こ
の発熱抵抗体は基体に埋設され、焼成されるため、還元
雰囲気の影響を大きく受けることはないが、この絶縁成
分となる窒化珪素質焼結体としても、第１乃至第４発明
の窒化珪素質焼結体を使用することができる。
により構成される。絶縁成分は、窒化珪素質焼結体から
なり、この焼結体は、実質的に窒化珪素のみからなる焼
結体であってもよいし、サイアロンであってもよい。こ
の発熱抵抗体は基体に埋設され、焼成されるため、還元
雰囲気の影響を大きく受けることはないが、この絶縁成
分となる窒化珪素質焼結体としても、第１乃至第４発明
の窒化珪素質焼結体を使用することができる。
【００２０】導電成分としては、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔ
ｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒから選ばれる１種
以上の金属元素の珪化物、炭化物又は窒化物のうちの少
なくとも１種が焼成されてなるものを使用することがで
きる。この導電成分は、特に、その熱膨張率が基体を構
成する窒化珪素質焼結体、若しくは絶縁成分である窒化
珪素質焼結体と大きな差がないものが好ましい。熱膨張
率の差が小さい導電成分であれば、ヒータ使用時の基体
及び発熱抵抗体における亀裂の発生が抑えられる。その
ような導電成分としては、ＷＣ、ＭｏＳｉ2又はＴｉＮ
等が挙げられる。また、この導電成分としては、その融
点がセラミックヒータの使用温度を越え、耐熱性の高い
ものが好ましい。導電成分の融点が高ければ使用温度域
におけるヒータの耐熱性も向上する。
ｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒから選ばれる１種
以上の金属元素の珪化物、炭化物又は窒化物のうちの少
なくとも１種が焼成されてなるものを使用することがで
きる。この導電成分は、特に、その熱膨張率が基体を構
成する窒化珪素質焼結体、若しくは絶縁成分である窒化
珪素質焼結体と大きな差がないものが好ましい。熱膨張
率の差が小さい導電成分であれば、ヒータ使用時の基体
及び発熱抵抗体における亀裂の発生が抑えられる。その
ような導電成分としては、ＷＣ、ＭｏＳｉ2又はＴｉＮ
等が挙げられる。また、この導電成分としては、その融
点がセラミックヒータの使用温度を越え、耐熱性の高い
ものが好ましい。導電成分の融点が高ければ使用温度域
におけるヒータの耐熱性も向上する。
【００２１】第５発明のセラミックヒータは、以下のよ
うにして製造することができる。導電成分の原料粉末と
して、Ｗ、Ｔｉ及びＭｏ等の金属元素の珪化物、炭化物
又は窒化物からなる粉末を使用し、絶縁成分の原料粉末
として窒化珪素粉末を用い、これら導電成分用原料粉
末、絶縁成分用原料粉末、及び焼結助剤粉末を所定の量
比で混合し、混合粉末を調製する。この混合は、湿式
等、通常の方法によって行うことができる。焼結助剤粉
末は特に限定されず、窒化珪素の焼成に一般に用いられ
る希土類酸化物等の粉末を使用することができる。ま
た、Ｅｒ2Ｏ3等、焼結した場合の粒界が結晶相となる焼
結助剤粉末を用いると耐熱性が高くなることからより好
ましい。
うにして製造することができる。導電成分の原料粉末と
して、Ｗ、Ｔｉ及びＭｏ等の金属元素の珪化物、炭化物
又は窒化物からなる粉末を使用し、絶縁成分の原料粉末
として窒化珪素粉末を用い、これら導電成分用原料粉
末、絶縁成分用原料粉末、及び焼結助剤粉末を所定の量
比で混合し、混合粉末を調製する。この混合は、湿式
等、通常の方法によって行うことができる。焼結助剤粉
末は特に限定されず、窒化珪素の焼成に一般に用いられ
る希土類酸化物等の粉末を使用することができる。ま
た、Ｅｒ2Ｏ3等、焼結した場合の粒界が結晶相となる焼
結助剤粉末を用いると耐熱性が高くなることからより好
ましい。
【００２２】このようにして調製した混合粉末に、適量
のバインダー等を配合して混練した後、造粒し、これを
用いて、射出成形等の方法により、焼成後、発熱抵抗体
となる成形体とすることができる。また、この成形体の
所定の位置にタングステン等の金属からなるリード線が
取り付けられる。
のバインダー等を配合して混練した後、造粒し、これを
用いて、射出成形等の方法により、焼成後、発熱抵抗体
となる成形体とすることができる。また、この成形体の
所定の位置にタングステン等の金属からなるリード線が
取り付けられる。
【００２３】この成形体を、窒化珪素原料粉末と遮蔽剤
とを含有する基体用原料粉末に埋入する。その方法とし
ては、基体用原料粉末を圧粉した半割型を２個用意し、
これらの半割型の間の所定位置に成形体を載置した後、
プレス成形する方法等が挙げられる。これらを一体に５
０〜１２０気圧程度に加圧することにより、基体の形状
を有する粉末成形体に発熱抵抗体となる成形体が埋設さ
れたセラミックヒータ成形体が得られる。このセラミッ
クヒータ成形体を、黒鉛製等の加圧用ダイスに収納し、
これを焼成炉に収容し、所定の温度で所要時間、ホット
プレス焼成することにより、セラミックヒータを製造す
ることができる。焼成温度及び焼成時間は特に限定され
ないが、焼成温度は１７００〜１８５０℃、特に１８０
０〜１８５０℃とすることが好ましい。また、焼成時間
は３０〜１８０分、特に６０〜１２０分とすることがで
きる。
とを含有する基体用原料粉末に埋入する。その方法とし
ては、基体用原料粉末を圧粉した半割型を２個用意し、
これらの半割型の間の所定位置に成形体を載置した後、
プレス成形する方法等が挙げられる。これらを一体に５
０〜１２０気圧程度に加圧することにより、基体の形状
を有する粉末成形体に発熱抵抗体となる成形体が埋設さ
れたセラミックヒータ成形体が得られる。このセラミッ
クヒータ成形体を、黒鉛製等の加圧用ダイスに収納し、
これを焼成炉に収容し、所定の温度で所要時間、ホット
プレス焼成することにより、セラミックヒータを製造す
ることができる。焼成温度及び焼成時間は特に限定され
ないが、焼成温度は１７００〜１８５０℃、特に１８０
０〜１８５０℃とすることが好ましい。また、焼成時間
は３０〜１８０分、特に６０〜１２０分とすることがで
きる。
【００２４】第７発明のグロープラグは、第６発明のセ
ラミックヒータを備えることを特徴とする。第６発明の
セラミックヒータでは、還元雰囲気による組成の変動が
抑制され、強度及び抵抗値等のばらつきが小さく、品質
が安定しており、耐久性にも優れる。そのため、このセ
ラミックヒータを加熱源として備える第７発明のグロー
プラグでは、使用時、ヒータが折損する等の問題が抑え
られ、品質が安定している。
ラミックヒータを備えることを特徴とする。第６発明の
セラミックヒータでは、還元雰囲気による組成の変動が
抑制され、強度及び抵抗値等のばらつきが小さく、品質
が安定しており、耐久性にも優れる。そのため、このセ
ラミックヒータを加熱源として備える第７発明のグロー
プラグでは、使用時、ヒータが折損する等の問題が抑え
られ、品質が安定している。
【００２５】
【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）窒化珪素質焼結体 抗折強度の評価 ９０モル％の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として、３
モル％のＥｒ2Ｏ3粉末（この他、窒化珪素原料粉末に
は、不可避酸素と各種酸化物とがＳｉＯ2換算で７モル
％含まれ、これらが焼成時に焼結助剤として作用す
る。）、及び遮蔽剤として、表１に記載の金属単体又は
金属化合物を、表１に記載の量比で配合し、４０時間湿
式混合したものを乾燥し、原料粉末とした。この原料粉
末を黒鉛製の加圧用ダイスに収容し、窒素雰囲気下、１
８００℃で１時間、ホットプレス焼成した。次いで、焼
結体を研磨し、４０（長さ）×４（幅）×３（厚さ）ｍ
ｍの試片とした。各実験例において１０試片を作製し、
これらを用いて下記の条件で抗折強度を測定した。
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）窒化珪素質焼結体 抗折強度の評価 ９０モル％の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として、３
モル％のＥｒ2Ｏ3粉末（この他、窒化珪素原料粉末に
は、不可避酸素と各種酸化物とがＳｉＯ2換算で７モル
％含まれ、これらが焼成時に焼結助剤として作用す
る。）、及び遮蔽剤として、表１に記載の金属単体又は
金属化合物を、表１に記載の量比で配合し、４０時間湿
式混合したものを乾燥し、原料粉末とした。この原料粉
末を黒鉛製の加圧用ダイスに収容し、窒素雰囲気下、１
８００℃で１時間、ホットプレス焼成した。次いで、焼
結体を研磨し、４０（長さ）×４（幅）×３（厚さ）ｍ
ｍの試片とした。各実験例において１０試片を作製し、
これらを用いて下記の条件で抗折強度を測定した。
【００２６】抗折強度；ＪＩＳ Ｒ １６０１に準じて
３点曲げ強度を測定した。スパンは２０ｍｍとし、クロ
スヘッド速度は０．５ｍｍ／秒とした。結果を表１に併
記する。尚、表１において、＊は第１発明の範囲を外れ
ていることを表す。
３点曲げ強度を測定した。スパンは２０ｍｍとし、クロ
スヘッド速度は０．５ｍｍ／秒とした。結果を表１に併
記する。尚、表１において、＊は第１発明の範囲を外れ
ていることを表す。
【００２７】
【表１】
【００２８】表１の結果によれば、本発明の範囲内であ
る実験例２〜４及び６〜９の窒化珪素質焼結体では、抗
折強度の最少値は１０９５〜１２０２ＭＰａ、平均値は
１１８８〜１２８９ＭＰａ、最大値は１２４６〜１３２
５ＭＰａであり、強度のばらつきが小さく、特に、最少
値が１０００ＭＰａを下回る強度の小さいものはないこ
とが分かる。一方、遮蔽剤が配合されていない実験例１
では、強度のばらつきが大きく、還元により組成が変動
しているものと思われる。また、安定であり、遮蔽剤と
して作用しないＷＳｉ2を配合した実験例５では、強度
がばらつくとともに、焼結性のばらつきによる強度の低
下もみられることが分かる。更に、実験例１０では、過
剰なＭｏＳｉ2が炭化せずに残留しているが、強度に大
きな影響はないことが分かる。
る実験例２〜４及び６〜９の窒化珪素質焼結体では、抗
折強度の最少値は１０９５〜１２０２ＭＰａ、平均値は
１１８８〜１２８９ＭＰａ、最大値は１２４６〜１３２
５ＭＰａであり、強度のばらつきが小さく、特に、最少
値が１０００ＭＰａを下回る強度の小さいものはないこ
とが分かる。一方、遮蔽剤が配合されていない実験例１
では、強度のばらつきが大きく、還元により組成が変動
しているものと思われる。また、安定であり、遮蔽剤と
して作用しないＷＳｉ2を配合した実験例５では、強度
がばらつくとともに、焼結性のばらつきによる強度の低
下もみられることが分かる。更に、実験例１０では、過
剰なＭｏＳｉ2が炭化せずに残留しているが、強度に大
きな影響はないことが分かる。
【００２９】炭化物生成の確認 実験例７の焼結体のＸ線回折を行った。その結果を示す
図１のチャートによれば、Ｍｏ4.8Ｓｉ3Ｃ0.6の回折ピ
ークが認められ、遮蔽剤として配合したＭｏＳｉ2が炭
化物となっていることが分かる。尚、このチャートによ
れば、Ｅｒ2Ｓｉ 2Ｏ7からなる融点の高い結晶相が生成
していることも分かる。
図１のチャートによれば、Ｍｏ4.8Ｓｉ3Ｃ0.6の回折ピ
ークが認められ、遮蔽剤として配合したＭｏＳｉ2が炭
化物となっていることが分かる。尚、このチャートによ
れば、Ｅｒ2Ｓｉ 2Ｏ7からなる融点の高い結晶相が生成
していることも分かる。
【００３０】（２）セラミックヒータ セラミックヒータの作製 ＲＥ2Ｏ3（希土類酸化物）からなる焼結助剤粉末２〜５
モル％と、不可避酸素及び焼成時に焼結助剤として作用
する各種酸化物をＳｉＯ2換算で２〜１５モル％含み、
残部が窒化珪素からなる粉末とを配合して絶縁成分用原
料とした。この絶縁成分用原料と、導電成分用原料であ
るＷＣ粉末とを体積比で７５：２５となるように秤量
し、７２時間湿式混合した後、乾燥し、混合粉末を得
た。その後、この混合粉末とバインダーとを混練機に投
入し、４時間混練した。次いで、得られた混練物を裁断
してペレット状とし、これを射出成型機に投入してタン
グステン製のリード線が両端に嵌合されたＵ字状の発熱
抵抗体となる成形体を得た。
モル％と、不可避酸素及び焼成時に焼結助剤として作用
する各種酸化物をＳｉＯ2換算で２〜１５モル％含み、
残部が窒化珪素からなる粉末とを配合して絶縁成分用原
料とした。この絶縁成分用原料と、導電成分用原料であ
るＷＣ粉末とを体積比で７５：２５となるように秤量
し、７２時間湿式混合した後、乾燥し、混合粉末を得
た。その後、この混合粉末とバインダーとを混練機に投
入し、４時間混練した。次いで、得られた混練物を裁断
してペレット状とし、これを射出成型機に投入してタン
グステン製のリード線が両端に嵌合されたＵ字状の発熱
抵抗体となる成形体を得た。
【００３１】一方、９０モル％の窒化珪素原料粉末に、
焼結助剤として、３モル％のＥｒ2Ｏ3粉末（この他、窒
化珪素原料粉末には、不可避酸素と各種酸化物とがＳｉ
Ｏ2換算で７モル％含まれ、これらが焼成時に焼結助剤
として作用する。）、及び遮蔽剤として、２体積％のＭ
ｏＳｉ2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、この造粒物を圧粉した
２個の半割型を用意した。その後、発熱抵抗体となる成
形体を２個の半割型の間の所定位置に載置し、プレス成
形して埋入した後、これらを７０気圧の圧力で一体に加
圧し、未焼成のセラミックヒータを得た。次いで、この
未焼成のセラミックヒータを６００℃で仮焼してバイン
ダーを除去し、仮焼体を得た。その後、この仮焼体を黒
鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１８０
０℃で１時間、ホットプレス焼成し、セラミックヒータ
を作製した。
焼結助剤として、３モル％のＥｒ2Ｏ3粉末（この他、窒
化珪素原料粉末には、不可避酸素と各種酸化物とがＳｉ
Ｏ2換算で７モル％含まれ、これらが焼成時に焼結助剤
として作用する。）、及び遮蔽剤として、２体積％のＭ
ｏＳｉ2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、この造粒物を圧粉した
２個の半割型を用意した。その後、発熱抵抗体となる成
形体を２個の半割型の間の所定位置に載置し、プレス成
形して埋入した後、これらを７０気圧の圧力で一体に加
圧し、未焼成のセラミックヒータを得た。次いで、この
未焼成のセラミックヒータを６００℃で仮焼してバイン
ダーを除去し、仮焼体を得た。その後、この仮焼体を黒
鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下、１８０
０℃で１時間、ホットプレス焼成し、セラミックヒータ
を作製した。
【００３２】抵抗値のばらつきの評価のようにして
抵抗値が約７００ｍΩのセラミックヒータを作製し、下
記の方法により抵抗値を測定し、そのばらつきを評価し
たところ、本発明の範囲内にある実験例２〜４及び６〜
９では、３σが５７〜６８ｍΩであり、抵抗値のばらつ
きも小さく、本発明の窒化珪素質焼結体を使用すれば、
同一焼成ロット内、或いは焼成ロット間における抵抗値
のばらつきが小さく、昇温特性が安定したセラミックヒ
ータが得られることが推察される。抵抗値；日置電機株
式会社製、型式「ミリオームハイテスタ」を使用し、直
流四端子法により測定した。
抵抗値が約７００ｍΩのセラミックヒータを作製し、下
記の方法により抵抗値を測定し、そのばらつきを評価し
たところ、本発明の範囲内にある実験例２〜４及び６〜
９では、３σが５７〜６８ｍΩであり、抵抗値のばらつ
きも小さく、本発明の窒化珪素質焼結体を使用すれば、
同一焼成ロット内、或いは焼成ロット間における抵抗値
のばらつきが小さく、昇温特性が安定したセラミックヒ
ータが得られることが推察される。抵抗値；日置電機株
式会社製、型式「ミリオームハイテスタ」を使用し、直
流四端子法により測定した。
【００３３】セラミックヒータ及びそれを備えるグロ
ープラグの構成図３は、（１）において得られたセラミ
ックヒータの縦断面図である。また、図２は、このセラ
ミックヒータを組み込んだグロープラグの縦断面図であ
る。このグロープラグ１は、図２のように発熱する部位
であ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は図３のように、基体２１、発熱
抵抗体２２及び給電部２３ａ、２３ｂにより構成されて
いる。
ープラグの構成図３は、（１）において得られたセラミ
ックヒータの縦断面図である。また、図２は、このセラ
ミックヒータを組み込んだグロープラグの縦断面図であ
る。このグロープラグ１は、図２のように発熱する部位
であ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は図３のように、基体２１、発熱
抵抗体２２及び給電部２３ａ、２３ｂにより構成されて
いる。
【００３４】基体２１は窒化珪素焼結体からなり、埋設
される発熱抵抗体２２、及び給電部２３ａ、２３ｂは、
この基体２１によって保護されている。発熱抵抗体２２
はＵ字形の棒状体からなり、基体２１に埋設される形態
で配設されている。更に、この発熱抵抗体２２には、導
電成分及び絶縁成分が含有されている。また、タングス
テンからなる給電部２３ａ、２３ｂは図２のように、外
部からセラミックヒータ２に供給される電力を基体２１
に埋設される発熱抵抗体２２へ給電できるように、それ
ぞれその一端は基体２１の表面に位置し、他端は発熱抵
抗体２２の両端に接続されている。
される発熱抵抗体２２、及び給電部２３ａ、２３ｂは、
この基体２１によって保護されている。発熱抵抗体２２
はＵ字形の棒状体からなり、基体２１に埋設される形態
で配設されている。更に、この発熱抵抗体２２には、導
電成分及び絶縁成分が含有されている。また、タングス
テンからなる給電部２３ａ、２３ｂは図２のように、外
部からセラミックヒータ２に供給される電力を基体２１
に埋設される発熱抵抗体２２へ給電できるように、それ
ぞれその一端は基体２１の表面に位置し、他端は発熱抵
抗体２２の両端に接続されている。
【００３５】尚、本発明においては、上記の実施例に限
られず、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
ックヒータはグロープラグばかりでなく、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耐火物、工
具等、他の用途に用いることもできる。
られず、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
ックヒータはグロープラグばかりでなく、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耐火物、工
具等、他の用途に用いることもできる。
【００３６】
【発明の効果】第１発明によれば、ホットプレス法によ
り焼成しても、特に、加圧用ダイス近傍の焼結助剤の炭
化が抑えられ、品質が安定しており、優れた抗折強度等
を有し、且つ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、第５発明によれば、第
１乃至４発明の品質の安定した窒化珪素質焼結体を容易
に製造することができる。
り焼成しても、特に、加圧用ダイス近傍の焼結助剤の炭
化が抑えられ、品質が安定しており、優れた抗折強度等
を有し、且つ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、第５発明によれば、第
１乃至４発明の品質の安定した窒化珪素質焼結体を容易
に製造することができる。
【００３７】更に、第６発明のセラミックヒータは、第
１乃至４発明の窒化珪素質焼結体を基体としているの
で、品質が安定しており、優れた抗折強度等を有してい
る。また、第７発明のグロープラグは、第６発明のセラ
ミックヒータを加熱源として備え、使用時、折損等が抑
えられ、品質が安定している。
１乃至４発明の窒化珪素質焼結体を基体としているの
で、品質が安定しており、優れた抗折強度等を有してい
る。また、第７発明のグロープラグは、第６発明のセラ
ミックヒータを加熱源として備え、使用時、折損等が抑
えられ、品質が安定している。
【図１】実験例７の窒化珪素質焼結体のＸ線回折のチャ
ートである。
ートである。
【図２】セラミックヒータを用いたグロープラグを説明
するための縦断面図である。
するための縦断面図である。
【図３】セラミックヒータを説明するための縦断面図で
ある。
ある。
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。
体、２２；発熱抵抗体、２３ａ、２３ｂ；給電部。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K092 QB08 QB10 QB11 QB12 VV19 VV40 4G001 BA04 BA08 BA32 BA37 BA48 BA49 BA61 BB04 BB24 BB32 BB48 BB85 BC42 BC45 BC62 BD14 BD15 BE26
Claims (7)
- 【請求項１】 ホットプレス焼成時の炭素成分による還
元雰囲気における焼結助剤の還元を抑えるための還元雰
囲気遮蔽剤が炭化されてなる炭化物を含有することを特
徴とする窒化珪素質焼結体。 - 【請求項２】 上記還元雰囲気遮蔽剤は、Ｔａ、Ｗ及び
Ｍｏ並びにこれらの各々の化合物のうちの少なくとも１
種である請求項１記載の窒化珪素質焼結体。 - 【請求項３】 上記焼結助剤は酸化珪素を含み、上記還
元雰囲気遮蔽剤は該酸化珪素より炭化され易い金属単体
及び金属化合物のうちの少なくとも一方である請求項１
又は２記載の窒化珪素質焼結体。 - 【請求項４】 上記焼結助剤は希土類酸化物と酸化珪素
とを含み、上記窒化珪素質焼結体は、粒界相にＲＥ2Ｓ
ｉＯ5及びＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7のうちの少なくとも一方を有す
る請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の窒化珪
素質焼結体。 - 【請求項５】 窒化珪素原料粉末、焼結助剤粉末及び還
元雰囲気遮蔽剤を含有する原料を用いて成形体を得、該
成形体を加圧用ダイスに収納し、成形体が収納された該
加圧用ダイスを焼成炉に収容し、ホットプレス焼成する
ことにより窒化珪素質焼結体を製造する方法であって、
上記加圧用ダイス及び上記焼成炉のうちの少なくとも一
方に含まれる炭素成分による還元雰囲気において、上記
還元雰囲気遮蔽剤は炭化されて炭化物となることを特徴
とする窒化珪素質焼結体の製造方法。 - 【請求項６】 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４のうちのいず
れか１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。 - 【請求項７】 請求項６記載のセラミックヒータを備え
ることを特徴とするグロープラグ。
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