JP2003327478A

JP2003327478A - 炭化珪素発熱体およびその接合方法

Info

Publication number: JP2003327478A
Application number: JP2002134369A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sonezaki; 敦曽根崎
Original assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-11-19

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高温度で使用する炭化珪素発熱体に関し、炭
化珪素からなる発熱部と炭化珪素と珪素の複合材からな
る端部の接合において、接合に用いる混練物の使用成分
と焼成条件を検討することで、接合部の温度が１４００
℃以上の耐熱性、耐久性を備えた高温用炭化珪素発熱体
を提供する。【解決手段】発熱部と端部の接合において、粒子径が
４０μｍから１１０μｍの粗粒炭化珪素粉末が４０重量
％から６０重量％と最大粒子径が１０μｍ以下の微粒炭
化珪素粉末が２０重量％から３０重量％と、最大粒子径
が３０μｍ以下の炭素粉末と有機バインダーの熱分解に
より生成する炭素成分との合計が２０重量％から３０重
量％の混練物を用いて両者を仮接着し、減圧下、不活性
雰囲気下で加熱処理して接合する炭化珪素発熱体の接合
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温用の炭化珪素
発熱体およびその発熱部と端部の接合方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、炭化珪素発熱体を製造するには、
棒状の炭化珪素の両端に珪素を含浸させ、端部とする方
法が採られていた。しかしこの方法でつくられた発熱体
の端部の比抵抗は発熱部の１０％程度であり、該端部は
それだけ電力の損失となっていた。そこで省エネルギー
の観点からこの電力損失を少なくするために、比抵抗の
低い端部をつくり、これと発熱部を接合させるという技
術が開発された。

【０００３】すなわち、該発熱体は、炭化珪素からなる
発熱部と、炭化珪素と珪素の複合材からなる端部とで構
成されたものである。この技術により端部の電力損失を
少なくすることができた。上述のような炭化珪素と炭化
珪素−珪素の複合材を接合する方法としては、炭化珪
素，炭素，有機バインダーからなる混練物を接合面に塗
布して、窒素雰囲気中で高温（１９００〜２１００℃）
に加熱し、溶融した珪素と混練物中の炭素と反応させる
反応焼結接合が行われている。

【０００４】しかしこの方法は、処理温度が１９００〜
２１００℃と高温なため、黒鉛炉等の特殊な装置が必要
となってくる。また、この処理温度を低くする方法とし
ては、炉内を減圧するという方法（特開昭６３−１７２
６８号公報）がある。しかし、この方法だと炉内圧力が
低くなりすぎる場合、端部の珪素が蒸発してしまい、比
抵抗が高くなってしまう。端部の比抵抗が上がれば発熱
体として信頼性が損なわれてしまう。そこで、端部の比
抵抗が上がらない接合方法として、圧力を１５Ｐａから
１５００Ｐａ（０．１１Ｔｏｒｒから１１．２５Ｔｏｒ
ｒ）の減圧下におき、温度を１４５０℃から１６００℃
で加熱処理する方法が特開平１０−２９７９７６号公報
に開示されている。この方法で得られた接合強度は、５
０ＭＰａ程度と十分ではない。

【０００５】さらに、珪素粉末と酸化ケイ素粉末と炭化
可能な液状熱硬化性樹脂（フェノール樹脂やフラン樹
脂）とをペースト状に混合し、その混練物を接合面に塗
布して、１４００℃で加熱処理する方法（特公昭６３−
４７２２９号公報）がある。しかし、この方法だと、酸
化ケイ素と炭素が反応して、その抜けた気孔に溶融珪素
が入るため、過剰の珪素が系内に残存してしまい、ヒー
タ温度が１４００℃以上であると、接合部が使用に耐え
ることが難しく、ヒータとしての使用に対する信頼性が
低い。また、焼成時間が１０時間以上と長いため実用的
ではない。さらに、接着界面に珪素の層ができ易く、こ
れもまた接合部の特性低下の原因となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の接
合法では、高温、高真空で処理できる炉のような特殊な
設備がなければ、接合できないという問題があった。そ
の問題解決のため、減圧下、低温で処理する方法が見出
されているが、その方法では、接合層がポーラスなため
十分な接合強度が得られないという問題があった。

【０００７】本発明の目的は黒鉛炉等の特殊な設備を必
要とすることなく、かつ端部の性能を損なわず、十分な
強度を得ることができる接合方法を提供することにあ
る。また、接合部に過剰の珪素が残存した状態で、接合
部温度が１４００℃以上であると、接合部から珪素の吹
出しが起き、折損に繋がる事がある。本発明では、接着
に用いる混練物中の粗粒炭化珪素粉末と微粒炭化珪素粉
末と炭素粉末との配合比について検討し、接合部が高強
度であり、かつ接合部に残留Ｓｉが少ないため、接合部
温度が１４００℃以上での使用でも信頼性が高い高温用
炭化珪素発熱体を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記課題を解
決するための第１の本発明は、炭化珪素からなる発熱部
と炭化珪素と珪素の複合材からなる端部から構成される
炭化珪素発熱体の接合部において、該接合部のＳｉＣ組
成物のかさ比重が２．８０以上で、室温および１４００
℃における３点曲げ強度が６０ＭＰａ以上であり、端部
の室温における比抵抗が発熱部の室温における比抵抗の
１０％以下であることを特徴とする炭化珪素発熱体に関
するものである。

【０００９】上記課題を解決するための第２の本発明
は、炭化珪素からなる発熱部と炭化珪素と珪素の複合材
からなる端部の接合部において、粒子径が４０μｍ〜１
１０μｍの粗粒炭化珪素粉末が４０〜６０重量％と、最
大粒径が１０μｍ以下の微粒炭化珪素粉末が２０〜３０
重量％と、最大粒子径が３０μｍ以下の炭素粉末と、有
機バインダーの熱分解により生成する炭素成分との合計
炭素成分が２０〜３０重量％となる混練物を用いて発熱
部と端部を仮接着し、焼成して接合させることを特徴と
する上記第１の発明の炭化珪素発熱体の接合方法。

【００１０】上記課題を解決するための第３の発明は、
前記焼成に関し、温度を１４５０℃から１６００℃で加
熱処理し、室温から１０００℃ないし１４００℃まで
０．０１Ｔｏｒｒから０．５Ｔｏｒｒの減圧下、１００
０℃ないし１４００℃から１６００℃の間は５Ｔｏｒｒ
から２０Ｔｏｒｒの減圧の不活性雰囲気下で焼成して、
端部から珪素を仮接着部に供給し、混練物と反応させて
接合させることを特徴とする上記第２の発明に記載の炭
化珪素発熱体の接合方法に関するものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明における炭化珪素発熱体
は、炭化珪素からなる発熱部と炭化珪素と珪素の複合材
からなる端部から構成される炭化珪素発熱体の接合部に
おいて、該接合部のＳｉＣ組成物のかさ比重が２．８０
以上で、室温および１４００℃における３点曲げ強度が
６０ＭＰａ以上であることを特徴とするものである。

【００１２】本発明の炭化珪素発熱体の接合部における
強度とは、接合後、３×４×４０ｍｍに切り出し加工
し、JIS R 1601に基づき、室温および１４００℃で３点
曲げ強度試験を行い、１ロットにつきサンプル数を３か
ら６とし、その平均値をいう。３点曲げ強度試験条件
は、接合部に試験機のヘッド部分があたるようにセット
し、スパン間距離３０ｍｍ、クロスヘッド速度０．５ｍ
ｍ／ｍｉｎで測定するものである。

【００１３】さらに、ＳｉＣ組成物の嵩比重は、接合層
を切り出して、嵩比重を測定することが困難なので、接
着剤として機能をはたす混練物を、実際に接合させる条
件で、Ｓｉを供給し、反応焼結させ、得られた反応焼結
体について、アルキメデス法で測定したものである。

【００１４】本発明において、炭化珪素からなる発熱部
は、炭化珪素からなる成形体を高温で焼成する再結晶炭
化珪素質発熱部の他、例えば炭化珪素粉末と炭素粉末ま
たは、炭素源物質（加熱により炭化する物質）との混合
物よりなる成形体に、焼結の際に溶融珪素を含浸させて
前記炭素と珪素とを反応させる、反応焼結法によって製
造した反応焼結炭化珪素質発熱部や、炭化珪素粉末とホ
ウ素粉末および炭素粉末からなる成形体を焼結させる、
常圧焼結炭化珪素質発熱部、あるいは加圧焼結炭化珪素
質発熱部などを用いることができる。そして、発熱部と
端部を接合させるために、混練物を用いて両者を仮接着
し、焼成して接合させることで炭化珪素発熱体とするこ
とができる。

【００１５】まず、接合剤を考える上では、理論成形体
密度に対する相対密度を考える必要がある。反応焼結に
よる炭化珪素は、珪素と炭素との反応時に炭素が、約
２．４倍に膨張するため、理論成形体密度（ρ）は、下
記理論式（Ｉ式）以下でなくてはならず、通常は反応焼
結性と特性の点から、理論成形体密度に対する相対密度
は約９０％に調整される。

【００１６】 ρ＝３．２１／（１＋２．３３Ｘ）… （Ｉ）（ただし、式中Ｘは成形体中の炭素の重量割合）上記式より、理論成形体密度に対する相対密度は、炭素
の割合によって決まる。接着に用いる混練物中の粗粒炭
化珪素粉末と微粒炭化珪素粉末と炭素との配合比につい
ては、反応焼結後のかさ比重が同じでも、高温時の強度
特性に大きく影響を与える。混練物の理論成形体密度に
対する相対密度は、炭化珪素粉末と炭素粉末との配合比
は炭素の割合により、（Ｉ式）より８６％〜９５％にな
るように調整される。

【００１７】相対密度が８６％未満であると、接合部に
過剰の珪素が残存し、接合部の特性低下、特に接合部の
温度が１４００℃以上の発熱時に珪素の吹出しが起き、
接合部折損の原因となり、炭化珪素発熱体としての信頼
性に欠けるからである。さらに焼成時に炭化珪素と珪素
材質の端部からの珪素が結合部に多く使用されてしまう
ため、比抵抗が高くなり、発熱体としての信頼性が損な
われてしまう。

【００１８】また、相対密度が９５％を超えると、成形
体密度のバラツキ、未反応炭素が残り易くなり、接合部
の信頼性が欠ける。

【００１９】従って、接合部が６０ＭＰａを超える強度
を得るためには、粒子径が４０μｍ〜１１０μｍである
粗粒炭化珪素粉末が４０〜６０重量％と、最大粒径が１
０μｍ以下の微粒炭化珪素粉末が２０〜３０重量％と、
最大粒子径が３０μｍ以下の炭素粉末が８〜１８重量％
と、かつ有機バインダーの熱分解による炭素成分との合
計炭素成分が２０〜３０重量％で構成される混練物が適
する。これは、粗粒炭化珪素粉末の最大粒子径が１１０
μｍを超えるものだと、反応焼結後の接合強度が６０Ｍ
Ｐａ未満となり、４０μｍ以下であると微粒炭化珪素粉
末とのギャップがなくなるためである。微粒炭化珪素粉
末は１０μｍを超えるものだと、粗粒炭化珪素粉末との
ギャップがなくなり、成形体密度の低下を招き、理論成
形体密度に対する相対密度が８６％以上とならない。粗
粒炭化珪素粉末が４０重量％未満、あるいは６０重量％
を超えると、または、微粒炭化珪素粉末が２０重量％未
満、あるいは３０重量％を超えると、粗粒と微粒とのバ
ランスがくずれ、成形体密度の低下が起き、仮接着時の
強度が低下し、仮接着段階での信頼性に欠け、高い接合
強度が得られない。

【００２０】使用される炭素粉末としては、カーボンブ
ラック、コークス、黒鉛のいずれであってもかまわない
が、最大粒子径は３０μｍを超えるものだと反応焼結後
に、未反応炭素が残り易くなるため好ましくない。炭素
粉末が８重量％未満であると、有機バインダー成分が過
剰となり、混練物に発泡やキレツが生じる。１８重量％
を超えると混練物の粘度が向上し、接着面へ混練物を塗
布、乾燥時にキレツが発生する。また、成形体密度が低
下し、仮接着段階での強度低下、さらには相対密度が９
５％以上となり、焼成時に未反応炭素が残り、接合部の
信頼性が欠ける。

【００２１】また、炭素粉末と有機バインダーの熱分解
により生成する炭素成分との合計が２０重量％未満であ
ると、理論成形体密度に対する相対密度が８６％未満と
なり、さらに接合部に過剰の珪素が残存し、接合部の特
性低下の原因となる。合計炭素成分が３０重量％を超え
ると、成形体密度が低下し、仮接着段階での強度低下、
さらには相対密度が９５％以上となり、未反応炭素が残
り、接合部の信頼性が欠けるので好ましくない。

【００２２】ここで、熱分解によって炭素となる有機バ
インダーとしては、フェノール樹脂、フラン樹脂、レゾ
ルシノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウ
レタン樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、その他公知の
有機樹脂接着剤を用いることができ、その中でもフェノ
ール樹脂は、熱硬化性樹脂であり、残炭率が高く、しか
も安価であるので好ましい。

【００２３】仮接着したものの焼成に関しては、室温か
ら１０００℃ないし１４００℃までは、０．０１Ｔｏｒ
ｒから０．５Ｔｏｒｒが好ましく、更には０．０５Ｔｏ
ｒｒから０．２Ｔｏｒｒの真空減圧下が好ましい。本発
明で端部の室温における比抵抗が発熱部の室温における
比抵抗の１０％以下であることが、発熱体の必要条件で
あることが判明した。真空減圧では、炭化珪素及び珪素
原料表面の二酸化ケイ素と炭素との反応ガスや、有機バ
インダーの熱分解による発生ガスを速やかに系外に排出
できるので好ましい。０．０１Ｔｏｒｒより高い減圧下
であると、端部からの珪素の蒸発があり、発熱体として
の必要条件を欠き、０．５Ｔｏｒｒ以下の減圧下である
と、炭化珪素及び珪素原料表面の二酸化ケイ素と炭素と
の反応性が乏しく、二酸化ケイ素が接合部に残り、反応
焼結性が低下し、緻密な接合部の生成が難しい。また、
この減圧下で１４００℃を超えると、端部からの珪素の
蒸発があり発熱体としての必要条件を欠くことになる。
１０００℃ないし１４００℃から１６００℃の昇温で
は、５Ｔｏｒｒから２０Ｔｏｒｒの圧力下が好ましく、
更には８Ｔｏｒｒから１２Ｔｏｒｒの圧力下が好まし
い。その際、仮接着部に端部からの溶融珪素を浸透させ
ると同時に、配合してある炭素及び有機バインダーの熱
分解により生成した炭素と反応させる。この時の最高温
度は１４５０℃から１６００℃が好ましく、更には１４
８０℃〜１５３０℃が好ましい。最高温度が１４５０℃
未満では、完全に反応焼結がおきず、未反応炭素が残
り、１６００℃を超える温度であると、端部からの珪素
の蒸発があり、比抵抗が高くなり、発熱体として使用で
きない。また、圧力は、５Ｔｏｒｒより高い減圧下であ
ると、端部からの珪素の蒸発があり、２０Ｔｏｒｒ以下
の減圧下であると、炭素と珪素との反応焼結性が低下
し、接合部分の強度が不足してしまう。その際、炉内を
アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス雰囲気とし
て減圧する。中でもアルゴン、ヘリウムは、端部の珪素
との反応がないため、反応焼結炭化珪素を生成させる上
に好ましい。

【００２４】このようにして混練物を仮接着し、焼成す
ることで、接合部の温度が１４００℃以上となる状態で
発熱しても、接合部の強度低下することなく、端部の比
抵抗が上がることもなくなる。焼成における処理温度を
下げることができることにより、黒鉛炉のような特殊な
装置を使用する必要がなくなり、また接合に必要な電力
量が少なくなり、大幅なコストダウンが可能となる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して具
体的に説明する。

【００２６】（実施例１）接着に用いる混練物中の骨材
粉末として、粗粒炭化珪素粉末（♯２２０以下、最大粒
径１１０μｍ、平均粒子径５３μｍ）５９重量％、微粒
炭化珪素粉末（最大粒径が１０μｍ、平均粒径２μｍ）
２１重量％に、炭素粉末（最大粒子径３０μｍ、平均粒
径３μｍ）８重量％を配合し、さらに熱分解による炭素
成分が１２重量％となるように有機バインダー（液状フ
ェノール樹脂と固形フェノール樹脂）を配合し、混練物
を作製した。

【００２７】この混練物を用いて、比抵抗が０．１〜
０．２Ωｃｍである炭化珪素からなる発熱部（外径φ２
０、内径φ１０、全長３００ｍｍ）と炭化珪素と珪素の
複合材からなる端部（外径φ２０、内径φ１０、全長３
００ｍｍ）を仮接着し、室温から１３５０℃まで０．１
Ｔｏｒｒの真空減圧下で１時間保持し、１３５０℃〜１
５５０℃の間は１０Ｔｏｒｒのアルゴンガス減圧雰囲気
下で２時間保持し、炭化珪素発熱体を得た。

【００２８】得られた炭化珪素発熱体の接合部の常温三
点曲げ強度は１１５ＭＰａ、１４００℃での高温三点曲
げ試験では、１１０ＭＰａであった。得られた混練物を
乾燥後、窒素雰囲気中６００℃２時間で仮焼し、アルキ
メデス法により嵩比重を測定した。また、仮焼体をバー
ンアウトし、全炭素成分から理論成形体密度をもとめ、
その理論成形体密度に対する相対密度は８８％であっ
た。さらに、混練物の乾燥体とＳｉを反応させ、同焼成
条件中で、反応焼結炭化珪素とし、その嵩密度を測定し
た結果、３．１２ｇ／ｃｍ³であった。

【００２９】端部として使用した炭化珪素と珪素複合材
のみを同焼成条件で処理し、比抵抗を測定した結果０．
００３８Ωｃｍであった。これらの結果を表１に示す。
なお、発熱部に用いた炭化珪素材及び端部に用いた炭化
珪素と珪素複合材は、室温及び１４００℃での強度は１
２５ＭＰａから１４０ＭＰａであり、接合部の強度と大
きな差は認められなかった。また、炭化珪素と珪素複合
材の接合前の比抵抗は０．００３６Ωｃｍであり、焼成
前後で大きな差は認められなかった。

【００３０】（実施例２、３）骨材の配合を表１に示し
たように変えた以外は、実施例１と同様にして仮接着
し、焼成して炭化珪素発熱体を得た。得られた混練物の
理論成形体密度に対する相対密度、得られた炭化珪素発
熱体の接合部の嵩比重、室温と１４００℃における三点
曲げ強度、端部の比抵抗を表１に示した。

【００３１】（実施例４〜７）焼成条件を表１に示した
ように変えた以外は、実施例１と同様にして仮接着し、
焼成して炭化珪素発熱体を得た。得られた混練物の理論
成形体密度に対する相対密度、得られた炭化珪素発熱体
の接合部の嵩比重、室温と１４００℃における三点曲げ
強度、端部の比抵抗を表１に示した。

【００３２】（比較例１〜４）骨材の配合を表１に示し
たように変えた以外は、実施例１と同様にして仮接着
し、焼成して、炭化珪素発熱体を得た。得られた混練物
の理論成形体密度に対する相対密度、得られた炭化珪素
発熱体の接合部の嵩比重、室温と１４００℃における三
点曲げ強度、端部の比抵抗を表１に示した。

【００３３】（比較例５〜８）焼成条件を表１に示した
ように変えた以外は、実施例１と同様にして仮接着し、
焼成して、炭化珪素発熱体を得た。得られた混練物の理
論成形体密度に対する相対密度、得られた炭化珪素発熱
体の接合部の嵩比重、室温と１４００℃における三点曲
げ強度、端部の比抵抗を表１に示した。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１に示した結果から明らかなように、本
発明に従う実施例１〜７は、焼成後の１４００℃におけ
る高温強度も高く、端部の比抵抗も焼成前後で大きな変
化がない、高温用ヒータとしての信頼性の高い炭化珪素
発熱体が得られた。

【００３６】これに対して、粗粒と微粒の炭化珪素粉末
の割合を変えた比較例１と比較例２、および混練物中の
全炭素成分を２０重量％以下とした比較例３は、混練物
の理論成形体密度に対する相対密度が低下したため、接
合部に珪素が多く残存したために、１４００℃における
高温強度が十分でない。

【００３７】混練物中の全炭素成分を３０重量％以上と
した比較例４は、未反応炭素が接合部に残り、さらに接
合部に亀裂が入っており、完全に接合できていなかっ
た。室温から１３５０℃までの圧力を０．０１Ｔｏｒｒ
以上にした比較例５は、端部からの珪素の蒸発が激しく
なり、端部の比抵抗が高くなり、端部の電力損失が多く
なるため、発熱体に用いることができない。

【００３８】室温から１３５０℃までの圧力を０．５Ｔ
ｏｒｒ以下にした比較例６は、炭化珪素及び珪素原料表
面の酸化ケイ素が接合部に残り、反応焼結性が低下し、
緻密な接合部が得られなかった。

【００３９】１３５０〜１５００℃までの圧力を５Ｔｏ
ｒｒ以上にした比較例７は、端部からの珪素の蒸発が激
しくなり、端部の比抵抗が高くなり、端部の電力損失が
多くなるため、発熱体に用いることができない。

【００４０】１３５０〜１５００℃までの圧力を２０Ｔ
ｏｒｒ以下にした比較例８は、炭素と珪素との反応焼結
性が低下し、接合部分の強度が不足してしまう。

【００４１】したがって、粗粒と微粒の炭化珪素粉末
と、炭素粉末と、有機バインダーの割合を制御した混練
物で接着し、圧力調製をして焼成し、接合することで１
４００℃以上の温度の使用に耐えうる接合部を備えた炭
化珪素発熱体が得られるといえる。

【００４２】

【発明の効果】以上記したように、本発明にかかる高温
用炭化珪素発熱体およびその接合方法は、低い温度で処
理できるため、黒鉛炉といった特別な装置を必要とせ
ず、緻密で、１４００℃以上の耐熱度と６０ＭＰａを超
す接合強度を備える耐久性に優れた高温用炭化珪素発熱
体を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化珪素からなる発熱部と炭化珪素と珪
素の複合材からなる端部から構成される炭化珪素発熱体
の接合部において、該接合部のＳｉＣ組成物のかさ比重
が２．８０以上で、室温および１４００℃における３点
曲げ強度が６０ＭＰａ以上であり、端部の室温における
比抵抗が発熱部の室温における比抵抗の１０％以下であ
ることを特徴とする炭化珪素発熱体。
【請求項２】炭化珪素からなる発熱部と炭化珪素と珪
素の複合材からなる端部の接合部において、粒子径が４
０μｍ〜１１０μｍの粗粒炭化珪素粉末が４０〜６０重
量％と、最大粒径が１０μｍ以下の微粒炭化珪素粉末が
２０〜３０重量％と、最大粒子径が３０μｍ以下の炭素
粉末と有機バインダーの熱分解により生成する炭素成分
との合計炭素成分が２０〜３０重量％となる混練物を用
いて発熱部と端部を仮接着し、焼成して接合させること
を特徴とする請求項１記載の炭化珪素発熱体の接合方
法。
【請求項３】前記焼成に関し、温度を１４５０℃から
１６００℃で加熱処理し、室温から１０００℃ないし１
４００℃まで０．０１Ｔｏｒｒから０．５Ｔｏｒｒの減
圧下、１０００℃ないし１４００℃から１６００℃の間
は５Ｔｏｒｒから２０Ｔｏｒｒの減圧の不活性雰囲気下
で焼成して、端部から珪素を仮接着部に供給し、混練物
と反応させて接合させることを特徴とする請求項２に記
載の炭化珪素発熱体の接合方法。